8.4 Диодные детекторы
В качестве нелинейного элемента в этом типе детекторов используются диоды. Различают два типа диодных детекторов:
– АД последовательного типа;
– АД параллельного типа.
Название детекторов определяется включением диода относительно нагрузки. Принципиальные схемы диодных детекторов приведены на рис. 8.3.
На вход амплитудного детектора подается высокочастотный сигнал, промодулированный по амплитуде. На диоде VD происходит нелинейное преобразование сигнала и на нагрузке детектора выделяется продетектированный сигнал Uвых. В ряде случаев для повышения линейности на начальном участке применяются дополнительные источники постоянного смещения Е0.
Рис. 8.3. Принципиальные схемы амплитудных детекторов:
а) последовательного типа, б) параллельного типа
Эпюры напряжений, показывающие процесс формирования выходного сигнала, приведены на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Эпюры напряжений выходного сигнала
В первоначальный момент времени напряжение на конденсаторе нагрузке равно 0, поэтому заряд конденсатора начинается с момента времени t0. К моменту времени t1 напряжение на конденсаторе нагрузочной цепи достигает значения U1. После момента времени t1 начинается разряд конденсатора через сопротивление нагрузки детектора. Затем в момент времени t2 начинается новый цикл заряда конденсатора нагрузки, так как высокочастотное напряжение превышает напряжение на конденсаторе нагрузки. Затем процесс заряда и разряда конденсатора нагрузки циклически повторяется.
При анализе АД обычно считают, что диод – безынерционный, а постоянная времени цепи нагрузки много больше периода высокочастотных колебаний. Аналитические методы расчета наиболее полно разработаны для слабых и сильных сигналов. При этом понятие слабого и сильного сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.
Для случая детектирования слабых сигналов получено выражение для уравнения детекторной характеристики в следующем виде:
Из последнего выражения следует, что детекторная характеристика диодного детектора при слабых сигналах имеет вид квадратичной параболы. Поэтому диодные детекторы слабых сигналов часто называют квадратичными.
Квадратичность детекторной характеристики приводит к значительным нелинейным искажениям АМ–сигнала. Для этого случая коэффициент нелинейных искажений может быть определен по следующей формуле:
где m – коэффициент модуляции принимаемого сигнала.
Дополнительными недостатками квадратичного амплитудного детектора являются низкий коэффициент передачи ( ), обычно не более сотых долей, и расширение динамического диапазона выходных сигналов, затрудняющих работу последующих каскадов. Поскольку емкость нагрузки детектора обладает очень малым сопротивлением для тока высокой частоты, то входное сопротивление детектора с нагрузкой такое же, как для короткозамкнутого детектора и определяется по формуле:
Таким образом, входное сопротивление диода в рабочей точке определяется параметрами нелинейного элемента и не зависит от величины сопротивления нагрузки.
Основными областями применения квадратичных детекторов являются измерительная техника, регистрация излучений.
8.4 Диодные детекторы
В качестве нелинейного элемента в этом типе детекторов используются диоды. Различают два типа диодных детекторов:
– АД последовательного типа;
– АД параллельного типа.
Название детекторов определяется включением диода относительно нагрузки. Принципиальные схемы диодных детекторов приведены на рис. 8.3.
На вход амплитудного детектора подается высокочастотный сигнал, промодулированный по амплитуде. На диоде VD происходит нелинейное преобразование сигнала и на нагрузке детектора выделяется продетектированный сигнал Uвых. В ряде случаев для повышения линейности на начальном участке применяются дополнительные источники постоянного смещения Е0.
Рис. 8.3. Принципиальные схемы амплитудных детекторов:
а) последовательного типа, б) параллельного типа
Эпюры напряжений, показывающие процесс формирования выходного сигнала, приведены на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Эпюры напряжений выходного сигнала
В первоначальный момент времени напряжение на конденсаторе нагрузке равно 0, поэтому заряд конденсатора начинается с момента времени t0. К моменту времени t1 напряжение на конденсаторе нагрузочной цепи достигает значения U1. После момента времени t1 начинается разряд конденсатора через сопротивление нагрузки детектора. Затем в момент времени t2 начинается новый цикл заряда конденсатора нагрузки, так как высокочастотное напряжение превышает напряжение на конденсаторе нагрузки. Затем процесс заряда и разряда конденсатора нагрузки циклически повторяется.
При анализе АД обычно считают, что диод – безынерционный, а постоянная времени цепи нагрузки много больше периода высокочастотных колебаний. Аналитические методы расчета наиболее полно разработаны для слабых и сильных сигналов. При этом понятие слабого и сильного сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.
Для случая детектирования слабых сигналов получено выражение для уравнения детекторной характеристики в следующем виде:
.
Из последнего выражения следует, что детекторная характеристика диодного детектора при слабых сигналах имеет вид квадратичной параболы. Поэтому диодные детекторы слабых сигналов часто называют квадратичными.
Квадратичность детекторной характеристики приводит к значительным нелинейным искажениям АМ–сигнала. Для этого случая коэффициент нелинейных искажений может быть определен по следующей формуле:
,
где m – коэффициент модуляции принимаемого сигнала.
Дополнительными недостатками квадратичного амплитудного детектора являются низкий коэффициент передачи (), обычно не более сотых долей, и расширение динамического диапазона выходных сигналов, затрудняющих работу последующих каскадов. Поскольку емкость нагрузки детектора обладает очень малым сопротивлением для тока высокой частоты, то входное сопротивление детектора с нагрузкой такое же, как для короткозамкнутого детектора и определяется по формуле:
.
Таким образом, входное сопротивление диода в рабочей точке определяется параметрами нелинейного элемента и не зависит от величины сопротивления нагрузки.
Основными областями применения квадратичных детекторов являются измерительная техника, регистрация излучений.
7.3. Принцип действия диодного амплитудного детектора
Диодные детекторы применяются наиболее часто в радиоприёмной аппаратуре. Диодный детектор, построенный по схеме рис.7.1, называют последовательным, поскольку диод VD и нагрузка RН включены последовательно. Диодный АД, в котором диод и нагрузка включены параллельно, называют параллельным.
Рис.7.1. Упрощённая схема последовательного диодного АД
Из этой схемы АД видно, что сопротивление нагрузки RН шунтируется конденсатором СН. Назначение этого конденсатора объясняется следующими соображениями. Детектор при нагрузке RН, не шунтированной ёмкостью, является безынерционым элементом по частоте несущей, а его коэффициент передачи мал. Пульсации выходного напряжения с частотой несущей велики. Для увеличения коэффициента передачи и уменьшения пульсаций нагрузку RН шунтируют конденсатором большой ёмкости. Ёмкость шунтирующего конденсатора обычно выбирается больше ёмкости диода не менее чем в 10 раз.
Пусть на вход АД поступает гармоническое напряжение с медленно изменяющейся амплитудой uВХ = UС ·СоsωC t (рис.7.2):
Рис.7.2. Пояснение принципа амплитудного детектирования
При поступлении на анод диода положительной полуволны UВХ диод VD открывается, и конденсатор СН начинает заряжаться по цепи: + (точка «а») → VD → RН → – (точка «б»). Постоянная времени заряда τЗАР конденсатора определяется ёмкостью СН и малым сопротивлением открытого диода. По мере заряда СН выходное напряжение ЕД растёт и стремится закрыть диод. Действительно, согласно рис.7.1, напряжение на диоде UД = UВХ – EД и в момент времени t = t1 (рис.7.2) UВХ становится равным ЕД, при этом UД = 0. Начиная с момента времени t1 (UВХ EД), диод закрывается, и конденсатор СН начинает разряжаться через резистор RН. Постоянная времени разряда конденсатора τРАЗ = RНСН >> τЗАР, так как обратное сопротивление диода RОБР >> RН. Поэтому разряд конденсатора СН происходит значительно медленнее, чем его заряд. Разряд конденсатора СН продолжается до момента времени t = t2 , при котором напряжение UД становится равным нулю. Начиная с момента времени t2 , диод снова открывается, и конденсатор СН начинает заряжаться. В результате серии зарядов и разрядов на выходе АД создаётся продетектированное напряжение ЕД, имеющее пульсирующую составляющую с частотой несущей. Учитывая, что время τРАЗ в практических схемах во много раз больше периода несущей UВХ, уровень пульсаций выходного напряжения ЕД мал.
В последовательной схеме диодного АД источник сигнала, диод и нагрузка включены последовательно, а развязка высокочастотной и низкочастотной цепей обеспечивается при выполнении условия
7.4. Схемы амплитудных детекторов
Последовательный диодный АД
На рис.7.3 представлена практическая схема последовательного диодного амплитудного детектора:
Рис.7.3. Принципиальная схема последовательного диодного АД
На вход детектора сигнал подаётся с выхода последнего каскада резонансного усилителя. Диод подключён к выходному контуру автотрансформаторной связью. Разделительный конденсатор СР служит для предотвращения попадания постоянной составляющей U0, выделяющейся на резисторе RН при выпрямлении несущей частоты в процессе детектирования, на вход каскада УНЧ (VT2). Реактивное сопротивление этого конденсатора должно быть мало для составляющих самых низких частот спектра модулирующего сигнала.
Последовательная схема АД используется в тех случаях, когда нет опасности попадания на диод постоянного напряжения с контура LC. В этом случае детектор может быть подключён непосредственно к контуру. Такую схему АД называют схемой с открытым входом.
Параллельный диодный АД
В схеме рис.7.4 контур LC находится под напряжением источника питания коллектора транзистора VT1.
Рис.7.4. Принципиальная схема параллельного диодного АД
В этой схеме диод нельзя подключать непосредственно к контуру, т.е. использовать схему с открытым входом. Для развязки выходной цепи транзистора и диода по постоянному току установлен конденсатор СН. Но для создания цепи постоянной составляющей тока диода приходится применять схему параллельного АД, в которой диод VD и резистор нагрузки RН подключаются к источнику сигнала – контуру LC – параллельно.
В схеме параллельного детектора высокочастотное напряжение оказывается приложенным не только к диоду VD, но и к нагрузке RН. В результате высокочастотное напряжение оказывается целиком на выходе. Шунтирование резистора нагрузки конденсатором, подобно тому, как это сделано в схеме последовательного АД, недопустимо, так как одновременно по высокой частоте будет закорочен и сам диод. Для ослабления напряжения высокой частоты на выходе параллельного АД устанавливается одно или несколько звеньев ФНЧ (RФСФ). Однако при этом уменьшается и низкочастотное детектированное напряжение за счёт потери его на резисторе фильтра RФ. Принцип работы параллельного детектора таков же, как и последовательного.
Транзисторные АД
Транзисторные АД подразделяются на коллекторные, базовые и эмиттерные (для БТ) или стоковые, истоковые и затворные (для ПТ). Для БТ чаще всего используются схемы с ОЭ, что позволяет получить помимо детектирования и наибольшее усиление сигнала. Поэтому на практике обычно используется коллекторный детектор (КД), в котором детектирование происходит из-за нелинейности проходной характеристики IK = f(UБЭ). Схема КД приведена на рис.7.5.
Рис.7.5. Схема коллекторного детектора
Делитель напряжения R1R2 определяет смещение на базе транзистора, конденсатор CБЛ – блокировочный, RНCН – нагрузка детектора.
Работа КД поясняется с помощью графиков рис.7.6.
Рис.7.6. Графики, поясняющие работу КД
Пунктиром на этом графике показана реальная проходная характеристика
IК = f(UБЭ), для упрощения используется её линейно-ломаная аппроксимация. Рабочая точка, которая обеспечивается подачей начального смещения ЕСМ, выбирается на наиболее криволинейном участке проходной характеристики. При этом детектирование происходит с углом отсечки Θ ≈ 90°.
АД на операционных усилителях
Максимальный уровень продетектированного ЕД max сигнала не должен превышать значения, при котором перегружаются последетекторные каскады. Динамический диапазон детектора определяется соотношением
Д = ЕДmax / ЕДmin. Для его расширения при фиксированном значении ЕДmax необходимо уменьшать ЕДmin. Этого можно достичь в АД, построенном по схеме рис.7.7 на операционном усилителе с ООС и коэффициентом усиления К >> 1.
Рис.7.7. Схема амплитудного детектора на ОУ
Часть продетектированного напряжения подаётся на инвертирующий вход. Расчёты показывают, что в таком детекторе ЕДmin уменьшается примерно в К раз, что соответствует расширению динамического диапазона на
20lgK (дБ). Этот АД с ОУ позволяет работать на последующий каскад с малым входным сопротивлением при малых искажениях.
На рис.7.8 показан двухтактный детектор на ОУ.
Рис.7.8. Схема двухтактного амплитудного детектора на ОУ
Отсутствие катушек индуктивности в этих схемах позволяет реализовать их в интегральном исполнении. В составе многих аналоговых серий выпускаются специализированные ИС детекторов, а также ИС, в которых детекторы входят как составной элемент (двухканальные двухполупериодные АД, детектор АМ-сигналов и детектор АРУ с УПТ и др.). Амплитудные детекторы входят в состав ряда многофункциональных ИС.
Пиковый детектор (ПД) предназначен для детектирования импульсов постоянного тока (видеоимпульсов). Напряжение на его выходе пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов. В простейшем случае пиковый детектор можно реализовать с помощью линейного ФНЧ (интегрирующей цепи), представленного на рис. 7.9:
Рис.7.9. Детектирование видеоимпульсов с помощью ФНЧ
Напряжение на выходе фильтра ЕД = UПИКτИ / ТИ = UПИК / q,
где q = ТИ / τИ – скважность импульсной последовательности. Коэффициент передачи детектора КД = ЕД / UПИК = 1 / q. При большой скважности коэффициент КД мал, поэтому такой способ детектирования целесообразно применять при q < 10. Если скважность последовательности импульсов велика, то для увеличения КД применяют пиковый диодный детектор, схема которого аналогична схеме диодного детектора АМ-колебаний. Учитывая, что обычно ПД подключают к видеоусилителю с резисторной нагрузкой, чаще всего используют параллельный диодный АД (рис.7.10):
Рис.7.10. Пиковый детектор на выходе видеоусилителя
На вход ПД поступают импульсы UВХ (рис.7.11), которые подаются на диод VD.
Рис.7.11. Процесс детектирования последовательности видеоимпульсов
Диод закрыт напряжением смещения ЕСМ. Первый импульс открывает диод, и конденсатор СН начинает через него заряжаться. По окончании импульса конденсатор СН разряжается через резистор RН. Благодаря большой постоянной времени цепи разряда напряжение на конденсаторе уменьшается за время паузы между импульсами незначительно. Процесс полностью устанавливается, когда за время заряда в конденсаторе накапливается такое же количество электричества, как и расходуется за время разряда, т.е. при
ΔЕ = ΔЕЗАР = ΔЕРАЗ. Строго говоря, на рис.7.11 показано изменение не продетектированного напряжения ЕД, а напряжения на конденсаторе СН. Однако при большой скважности видеоимпульсов ЕД ≈ ЕСн.
Принцип действия и характеристики диодного детектора
Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал uc (t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора Сн и резистора Rн, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание u вых(t).
Значение тока через диод ig для режима покоя (uc (t)=0) может быть найдено из уравнений:
(5)
где U g – напряжение на диоде VD (рис. 1).
 |
Первое уравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ, форма тока через диод ig при синусоидальной форме сигнала uc (t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, создает падение напряжения U =, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод при положительных значениях входного напряжения.
На рисунке 2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc (1) < Uc (2) . Тогда постоянные составляющие напряжений U = (1) < U = (2) и I = (1) < I = (2) . На этом же рисунке условно изображена зависимость i g= f (t).
Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:
, (6)
где I об– абсолютное значение величины обратного тока диода, φT – температурный потенциал, равный при Т =293˚ K примерно 26 мВ. Полагая напряжение на диоде равным ug (t)= ua (t)cos(ωct) – U =, подставляя ug (t) в (6) и раскладывая в ряд по функциям Бесселя Jk получим:
. (7)
Выделим в (7) следующие компоненты токов:
постоянного: ,
переменного с частотой ωc: , (8)
переменного с частотой 2 ωc: ,
 |
и так далее.
Зависимость постоянной составляющей U = от амплитуды приложенного напряжения Uc дается детекторной характеристикой (рис. 3).
Из (8) и (1) следует, что при x (t) = 0 детекторная характеристика может быть записана в виде:
. (9)
Анализ выражения (9) позволяет сделать два основных вывода:
с увеличением Rн возрастает крутизна детекторной характеристики,
с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.
В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:
детектирование «слабых» сигналов,
детектирование «сильных» сигналов.
В режиме «слабых» сигналов, представив функцию J0 (ua(t) / φT) в виде ряда, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.
, (10)
и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x (t) = 0 равен:
. (11)
Например, допустимое значение kн в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (kн £ 5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.
В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i g= f (u g) (5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U =, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда . На рис. 4 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2 θ, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резистор Rн.
 |
Полагая, что uc (t)= Uc cos ωct, ток открытого диода определяется выражением
, (12)
где – косинус угла отсечки, S – крутизна вольтамперной характеристики на рабочем участке.
Интегрируя (12) на интервале [0,2p], можно получить выражение для U = в виде:
. (13)
Учитывая, что , для малых значений угла q получаем:
, (14)
т.е. угол отсечки определяется лишь значениями S и Rн, и не зависит от величины Uc.
Для амплитудно-модулированного сигнала, имеем:
u вых(t) =cos q Uc [1+ max (t)]= Uc cos q + maUc x (t)cos q, (15)
т.е., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла q не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x (t).
Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:
нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤ Uc ≤ Uc (1) на рис. 2, необходимо выбирать значение Uc исходя из неравенства:
; (16)
различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.
При использовании усилителя с входным сопротивлением
и выборе величины емкости разделительного конденсатора Cp, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R УНЧиз условия:
, (17)
где Ω min – минимальная частота модулирующего сигнала,
этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;
нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора Cн. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U = и ua (t). В моменты времени, когда ua (t) < U =, конденсатор Cн будет разряжаться через резистор Rн по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:
, (18)
где Ω max – максимальная частота модулирующего сигнала.
Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора Cн выбирается из условия:
, (19)
а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:
где r g – сопротивление диода в открытом состоянии.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.009 с) .