6.1.6 Разновидности амплитудных детекторов

Транзисторные АД в зависимости от того, нелинейность характеристики какого тока транзистора используется для детектирования, подразделя­ются на коллекторные, базовые, эмиттерные, стоковые, истоковые и затворные. Биполярный транзистор (БТ) чаще всего используется в схе­ме включения с ОЭ, что позволяет получать помимо детектирования и наи­большее усиление сигнала. На практике исполь­зуется коллекторный детектор (рис. 6.3), в котором используется нелинейность проходной характеристики i_К = F(u_БЭ).

В схеме на рис.6.3 делитель R1R2 задает смещение на базе транзистора; конденсатор Сбл – блокировочный, RН,СН – нагрузка детектора, выполняющая функцию ФНЧ.

Рис.6.3 – Коллекторный детектор

Работа коллекторного детектора (КД) поясняется диаграммами – рис. 8.18, б).

Штриховой линией показана реальная характеристика i_К = F(u_БЭ) используется линейно-ломаная аппроксимация. Рабо­чая точка, которая обеспечивается начальным смещением Е_СМ, выбирается на наиболее криволинейном участке характерис­тики i_К = F(u_БЭ). В случае линейно-ломаной аппроксимации при синусоидальном воздействии импульсы коллекторного тока – отрезки усеченной синусоиды, постоянная составляющая коллекторного тока

I_K0 = I_Kmax₀( ),

где ₀( ) – коэффициент Берга.

Для значения  = 90° коэффициент Берга ₀(90°) = 1/ и ток коллектора

I_K0 = I_Kmax /.

Для коллекторного детектора на рис.6.3

I_Kmax = S_K U_ВХ,

где S_K — крутизна характеристики кол­лекторного тока.

Проходная характеристика коллекторного детектора – рис. 6.3; эпюры входного напряжения и коллекторного тока iк (t). Коэффициент передачи детектора KD = ED /U = Sк RH /. Входное сопротивление детектора Rвх = 2 / SБ.

Рис. 6.4 – Проходная характеристика коллекторного детектора

и эпюры входного напряжения и коллекторного тока i_к (t)

Выходное напряжение на резисторе R_Н определяется соотношением

E_D = I_K0R_Н= R_НI_Kmax/.

Во избежание искажений при детектировании КД работает при относительно малых U_ВХ.

Коэффициент передачи кд

К_D = E_D / U_ВХ = S_KR_Н/. (8.42)

Анализируя (8.42), отмечаем, что К_D может быть больше еди­ницы – это одно из основных преимуществ КД по сравнению с диодным. Коэффициент К_D в  раз меньше, чем коэффициент уси­ления по напряжению К_U усилителя на том же транзисторе и с той же нагрузкой.

Во входной цепи транзистора протекает ток базы, шунтирую­щий источник сигнала. Для оценки этого шунтирующего действия. определим входное сопротивление КД

R_ВХ = U_вх / I_Бm1.

Первая гар­моника базового тока

I_Бm1= I_Бmax₁( ) = S_БU_вх₁( ),

где S_Б – кру­тизна характеристики i_Б = F(u_БЭ).

Коэффициент Берга ₁( ) при значении угла отсечки базо­вого тока  = 90° равен ₁(90°) = 0,5 и амплитуда первой гармоники тока базы I_Бm1= 0,5 S_БU_вх, а входное сопротивление детектора R_ВХ = 2 / S_Б = 2R_1Б – наличие двойки в этом выражении обусловлено тем, что транзис­тор половину периода входного сигнала заперт. Поэтому одно­временно с основным существует побочное детектирование в цепи базы, за счет которого на резисторе R₂ создается напряжение с полярностью, противоположной полярности напряжения смеще­ния. Это приводит к ослаблению детектирования в коллекторной цепи, т. е. к уменьшению коэффициента К_D, однако за счет этого эффекта мож­но повысить линейность характеристики детектирования. Отмечен­ный эффект можно ослабить, уменьшая сопротивление резисторов. R₁, R₂ и увеличивая емкость блокировочного конденсатора С_БЛ.

Двухтактные детекторы. Ранее было показано, что при сравнимости частот модуляции и несущего колебания в АД воз­никают искажения. Для уменьшения этих искажений используют двухтактные детекторы – рис. 8.19.

Фактически это два диодных АД, работающих на общую нагрузку. Напряжения на вход АД подаются от трансформатора со средней точкой, их полярность для одного полу периода сигнала показана на рисунке 6.5.

Рис.6.5 – Двухтактный детектор

Для диода VD1 это напряжение отпирающее, для VD2 —запирающее. В сле­дующий полу период VD1 закрыт, a VD2 открыт. Таким образом, диоды в этом детекторе работают поочередно.

Конденсатор С_Н за­ряжается через один диод в один полу период, через другой – в последующий полу период. Применение двухтакт­ного детектора равносильно увеличению частоты несущего коле­бания примерно в 2 раза. Входное сопротивление двухтактного детектора уве­личивается по сравнению с однотактным в 4 раза, коэффициент К_D – в 2 раза.

Детектор с удвоением выходного напряжения (рис. 8.20) используются для повышения К_D: при поло­жительном полу периоде входного сигнала VD₂ закрыт и конден­сатор С_Н1 заряжается через открытый диод VD₁ до напряжения U_{вх m}; в следующий полу период входного напряжения диод VD₁ закрывается, диод VD₂ открывается и конденсатор С_Н2 заряжа­ется через С_Н1 и VD₁ до напряжения 2 U_{вх m}. Входное сопротивле­ние детектора на рис. 8.20, в 2 раза ниже, чем в детекторе на рис. 8.3.

Детектор на операционных усилителях. Максимальный уро­вень выходного сигнала детектора Е_Дтах не должен превышать значения, при котором перегружаются последетекторные каскады, минимальный уровень Е_Дтin соответствует U_вх = U_НЕЛ – рис.8.13. При этом динамический диапазон (ДД) устройства определяется отношением

Е_Дтах / Е_Дтin.

Для расширения динамического диапазона при фиксированном максимальном значении Е_Дтах необходи­мо уменьшать минимальный уровень напряжения Е_Дтin. Этого можно достичь в АД, по­строенном по схеме (рис. 8.21) на ОУ с ООС и коэффициентом уси­ления К » 1.

Рис.6.4 –Детектор на ИМС

Часть выходного напряжения детектора подается на его инвертирующий вход При этом напряжение на выходе усилителя UВЫХ = КD (UВХ – Ед). В таком детекторе Елпчп уменьшается пример­но в /С раз, что соответствует расширению ДД на 20lgK дБ. Этот АД позволяет работать на последующий каскад с малым вход­ным сопротивлением при малых искажениях.

Существуют двух­тактные детекторы на ОУ, принцип работы которых аналогичен приведенному на рис. 8.19. Отсутствие катушек индуктивности в АД на ОУ позволяет реализовать их в интегральном исполне­нии. В составе многих аналоговых серий выпускаются специали­зированные интегральные микросхемы (ИМС) детекторов, а также ИМС, в которых детекто­ры входят как составной элемент.