Comprendre les circuits limiteurs (clippers) : théorie, simulation et applications pratiques

Un limiteur (clipper) est un circuit électronique passif qui limite l'amplitude de crête d'une forme d'onde. L'analyse suivante se concentre sur une configuration limiteur négatif, illustrant comment une seule diode et une résistance restreignent le signal sous un seuil de tension défini.

Analyse du fonctionnement du circuit limiteur

Le schéma a été généré avec l'outil de capture Xcircuit, et la netlist SPICE accompagnante exportée automatiquement. Des modifications mineures ont été faites à la netlist avec un éditeur de texte pour insérer le composant diode.

*SPICE 03437.eps * A K ModelName D1 0 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran .05m 3m .end

Limiteur : coupe le pic négatif à –0,7 V.

Demi-période positive

Quand l'onde sinusoïdale d'entrée monte à son pic positif (5 V), la diode est polarisée inversement et reste non-conductive. La sortie au nœud 2 miroite simplement l'entrée pendant cette demi-période, comme montré dans la simulation. Pour la clarté d'affichage, la commande « plot v(1)+1 » du simulateur décale la forme d'onde d'entrée de 1 V vers le haut.

Dans le tracé, V(1)+1 est en fait l'onde sinusoïdale 10 V crête-à-crête, décalée vers le haut. La sortie V(2) est coupée à –0,7 V par la diode D1.

Demi-période négative

Pendant la portion négative de l'onde sinusoïdale, la diode devient polarisée directement et conduit. L'entrée est effectivement court-circuitée à la masse, causant la sortie de suivre l'entrée seulement jusqu'à ce qu'elle atteigne le seuil de chute directe de la diode. Pour une diode silicium, la tension directe par défaut est 0,7 V sauf si le modèle est paramétré autrement. Les diodes germanium ou Schottky couperont à des tensions plus basses, vérifiables contre leurs fiches techniques.

La simulation montre que le coupure se produit seulement après que l'entrée dépasse –0,7 V ; la diode ne conduit pas pendant toute la demi-période négative.

Circuit limiteur symétrique

L'ajout d'une diode anti-parallèle à la configuration existante produit un limiteur symétrique qui limite les pics positifs et négatifs. La netlist suivante reflète ce changement :

*SPICE 03438.eps D1 0 2 diode D2 2 0 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

Limiteur symétrique : Diodes anti-parallèles coupent pics positif et négatif, produisant sortie ±0,7 V.

La diode D1 bride la demi-période négative à –0,7 V, tandis que D2 conduit pendant la demi-période positive une fois l'entrée dépassant +0,7 V. La tension restante tombe aux bornes de la résistance série, assurant que la sortie ne dépasse jamais ±0,7 V.

La simulation confirme le comportement de coupure attendu pour les deux diodes.

Forme générale du limiteur à diode

La conception de limiteur à diode la plus polyvalente incorpore des références de tension ajustables pour définir des niveaux de coupure précis. Pour une vraie diode silicium, la chute directe doit être prise en compte dans les tensions de référence. Dans l'exemple ci-dessous, D1 commence à conduire à 1,3 V + 0,7 V = 2,0 V, et D2 à –2,3 V – 0,7 V = –3,0 V.

*SPICE 03439.eps V1 3 0 1.3 V2 4 0 -2.3 D1 2 3 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V3 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

D1 coupe l'entrée à 2 V ; D2 coupe à –3 V.

Pour couper un seul côté, simplement retirer la diode et la source de tension correspondantes. La simulation suivante démontre un limiteur qui limite la demi-période positive à 2 V tout en laissant la demi-période négative passer inaltérée.

Limiteur à diode Zener

Une diode Zener peut remplacer à la fois la diode de coupure et la référence de tension DC, fournissant un niveau de coupure auto-polarisé déterminé par la tension de claquage Zener. Cette configuration est particulièrement utile dans les applications haute tension où une coupure précise est requise.

Application pratique des circuits limiteurs

Les circuits limiteurs servent de dispositifs de protection critiques dans de nombreux systèmes électroniques. Par exemple, lors de l'amplification de signaux vocaux avant de les alimenter dans un émetteur radio, un limiteur empêche le signal amplifié de dépasser la gamme linéaire de l'émetteur. Sur-driver l'émetteur non seulement distord la sortie mais génère aussi des émissions parasites qui peuvent interférer avec les stations adjacentes.

Le limiteur dans la figure protège l'émetteur en limitant les excursions de tension de crête causées par la parole forte.

Autres applications courantes incluent :

• Convertir une onde sinusoïdale en onde carrée en sur-drivant délibérément un limiteur.
• Protéger les étages d'entrée des circuits intégrés. Dans un CI CMOS, les diodes limiteurs référencent les rails 0 V et +5 V, bridant l'entrée à la plage de fonctionnement sûre du dispositif.
• Utiliser une paire résistance-diode avec un biais DC pour couper à un niveau de tension arbitraire, technique employée dans le décalage de niveau et le conditionnement de signal.

Récapitulatif

• Paires résistance-diode coupent le signal à une tension prédéterminée.
• Diodes Si anti-parallèles fournissent coupure symétrique à ±0,7 V.
• Terminaux de diode à la masse peuvent être remplacés par un biais DC pour définir seuils de coupure arbitraires.
• Les circuits limiteurs agissent comme éléments protecteurs, empêchant les signaux de dépasser des limites spécifiées.

Feuilles de travail associées :

• Feuille de travail : Circuits limiteurs et décalageurs (clamper)