ОРЭ / лабораторная 14 / Амплитудные детекторы

снижению коэффициента передачи де­тектора и углублению пульсаций вы­ходного напряжения. Ранее- отмеча­лось, что желательно выполнение ус­ловий С > С_д и.Тр > Т_ш.

Более детальный анализ позволяет записать следующее условие для вы­бора емкости С, при выполнении ко­торого практически не будет происхо­дить снижение ^коэффициента переда­чи из-за недостаточности емкости на­грузки:

£ (л—в i-fsin в—в cos 6)

С>-*— -------'-*----------------. (7.22)

-^. сил .ri — cos в ^{v ;}

В крайнем" случае при С = О (см. рис. 7.1) ^га '= а_вх — iR =-• U₀ X X cos со/ — iR. ^ia участке проводимо­сти ток через диод i = Su — 5 (t7₀x X cos (at — //?)ЛОтсюда i =-- SU₀ cos a>t/ /(1 -r SR) •-- f дни U„ cos v>t, где

5д„_н «динамическая» крутизна ди­ода. Это уравнение для тока имеет такую форму, при которой как будто бы не происходит смещения рабочей точки диода при подаче напряжения ц_вх [см. (7.13) при 0 = я/2], но диод имеет меньшую «динамическуюУ кру­тизну.

Тогда постоянная составляющая тока

—----- ! cos cord со/=~ ■ (7.2d)

о

При этом коэффициент передачи K-.~U-IU₀~I-R/U₀ = -~S_miiR!n = SR/n(\ +SR). (7.24)

Как видно, максимально достижи­мое значение К- при С = 0, имеющее

МеСТО При SR ->• оо, раВНО /С_ max =

- 1/я «0,3.

-Таким образомr-изменение--емко— сти С от С -*- оодоС^О при доста­точно большом значении SR приводит к изменению коэффициента передачи К_ от К- « 1 до К- « 0,3. :

Приведенные условия даю1г огра­ничения емкости «снизу», Ограниче­ния емкости «сверху» обусловлены до­пустимыми частотными искажения­ми огибающей — верхней граничной частотой эквивалентной схемы Детек­тора: ^

йв = 1/т_в, (7.25)

где т_в = С (Rid\\R)> ^a также возмож­ностью появления нелинейных иска­жений огибающей.

Дело в том, что выходное напряже­ние детектора (/_ (/) вследствие емко­стного характера нагрузки отстает по фазе от огибающей входного на­пряжения U₀ {t) (рис. 7.7, а). Если это

Для участка прямой проводимо­сти

i =: Su -= (S — 5_0бр) и ■:■ м5_0бр. (7.32)

Как видно, в (7.32) имеется слагае­мое, описывающее обратный тек в (7.31) при и <С 0. Это позволяет заме­нить реальный диод с обратной :про-водимостью идеальным диодом, шун­тированным сопротивлением R^§_v-"-— b^;5_oGp, с крутизной участка пря­мой проводимости 5 — -S_o6p. Экви­валентная схема" последовательного детектора показана на рис. :#.Ю. Здесь сопротивление R_o6v по цесто-яиному току включено параллельно R, поэтому все расчеты, в которые входит сопротивление нагрузки ^кру­тизна диода, следует проводить^ счи­тая, что R заменяется на R', £ S — HaS':

_Ж. 1=..Шоб»._____'I________(7₅33}_.

S'_r5-5_o6p. ; (7.34)

В то же время ж> переменному то­ку ВЧ сопротивление /?_обр включено параллельно входу- детектора и на­гружает источник сигнала. Поэтому

Rnx "^вх.идИ^обр- (7.35)

При использовании полупроводни­ковых диодов, следует принимать меры для снижения влияния нелинейной емкости р-^перехода на резонанс­ный контур, >с которого снимается на­пряжение и_ё-_х. При этом должно вы­полняться условие С„ ];>> С_их (С_к — емкость контура).

Рассмотрим особенности детекто­ров на биполярных транзисторах. Транзисторные детекторы применя­ются обычно в сравнительно про­стых и дешевых радиоприемных уст­ройствах. Их основные преимущества по.сравнению с диодными детектора­ми— возможность одновременного усиления сигнала, т. е. получения коэффициента детектирования значи­тельно больше единицы, а также воз­можность получения большей абсо­лютной мощности продетектирован-ного сигнала, что облегчает возбуж­дение последующих каскадов, обла­дающих малым входным сопротивле­нием. По.. остальным показателям транзисторные детекторы уступают диодным (большие нелинейные иска­жения, меньшие перегрузочная спо­собность и входное сопротивление) и в настоящее время применяются редко.

В транзисторных детекторах де­тектирование может производиться за "счет ~н ёл и неШюстй"^б^зШоТЬ^П^Глек" торного и эмиттерного токов. При этом далеко не всегда возможно создание режима чисто базового, коллектор­ного или эмиттерного детектирования, так как одновременно сказывается не­линейность тока других электродов. В этих случаях получают, например, коллекторно-базовый или эмиттешно-базовый детектор. ■

Транзисторы в детекторных кас­кадах чаще всего включают по схеме с общим эмиттером, реже •— по схеме с общим коллектором и устанавливают в заведомо нелинейный режим в от­личие от.аналогичных транзисторов, включенных подсхеме усилительных каскадов. Типичная гсхема транзис­торного, детектора приведена на рис. 7.11. Делитель напряжения RoiRa 'Должен.создавать небольшое (сотые ,- доли вольт) .отпирающее на-

пряжение на базе. При этом маломощ­ные транзисторы, обычно используе­мые в детекторных каскадах, дают на­ибольший эффект детектирования. Однако это напряжение может быть равно и нулю, что очень незначитель­но снижает эффект детектирования. При этом в схеме рис. 7.11 делитель RgiRg-z ^и конденсатор C_G могут во­обще отсутствовать, что существенно упрощает схему детектора, приближая ее к схеме детектора на диоде.

Конденсатор С_б необходим для того, чтобы все входное напряжение прикладывалось к промежутку база-эмиттер транзистора. Если кон­денсатор С_б оказывает очень малое сопротивление токам частот модуля­ции, т. е. (R₀i\\R_6i) P Ь'ЙС_б, то сме­щение рабочей точки на входной ха­рактеристике транзистора в такт с час­тотой модуляции, будет отсутство­вать, а в базовой цепи будет присутст­вовать только эффект детектирования по току. Базовый ток низкой частоты будет управлять током коллектора, приводя к появлению на коллекторе переменного низкочастотного напря­жения при наличии нагрузочного со­противления (R_K).

Транзистор может быть поставлен и в такой режим, при котором резко Ti роя вЖётс я" нел и ней ноеть . "забисй~" мости коллекторного тока от входного напряжения. Основной эффект детек­тирования здесь получается за счет коллекторного детектирования, но полностью избежать базового детек­тирования в этом случае нельзя, так как всегда имеется нелинейность ха­рактеристики базового тока. Чтобы снизить эффект оазового детектирова­ния, необходимо по возможности уменьшать полное сопротивление ба­зового делителя (R₆i\\R₆₂).

^Входное сопротивление транзис­торных детекторов при малых и сред­них амплитудах сигнала, когда отсут­ствует отсечка базового тока, в пер­вом приближении находят так же, как для усилительных схем в режиме ко­роткого замыкания на выходе (кон­денсатор С_к имеет малое сопротивле­ние току частоты сигнала).

При наличии отсечки базового то­ка (сильные "сигналы) входное сопро­тивление увеличивается за счет сни­жения амплитуды базового тока сиг­нальной частоты. Характерными зна­чениями являются: R_axd ~ (2-—3)х

В импульсных системах передачи информации полезное сообщение мо­жет содержаться в параметрах каждо­го импульсного сигнала или в пара­метрах импульсной последовательно­сти. Поскольку речь идет о детекто­рах АМ-сигнала, в первом случае за­дача сводится к : преобразованию р ад и о и м п у л ьсо в в я в и део и м п у л ьсы, форма которых повторяет форму оги­бающей каждого радиоимпульса с до­пустимыми искажениями. Во втором случае стоит задача.'выделения огиба­ющей импульсной^ последователь­ности, причем роль несущего ко­лебания могут выполнять как ра­диоимпульсы, так и?видеоимпульсные. последовательности/

, В соответствии ^изложенным раз­личают три вида детектирования им­пульсных сигналовт[301:

. I) детектирование радиоимпуль­сов _с целью выделения огибающей

~ каждого из них (импульсный детек­тор); -- '

™. 2) детектирование посТтедбваТёль-ности радиоимпульсов с целью выде­ления he огибающей (пиковый ДеТеК-ТОр);! ".'-■ Г. . т: ^ .

3) детектирование последователь­ности видеоимпульсов с целью выде­ления ее огибающей (детектор видео­импульсов).

Рассмотрим подробнее эти детек­торы.

1. Импульсный детектор. Им­пульсные детекторы могут выполнять­ся надиодах (по параллельной или по­следовательной схеме), туннельных и обращенных диодах, транзисторах и др. Наиболее" распространенными яв­ляются диодные импульсные детекто­ры в ^тбилу их высокой перегрузочной способности, простоты схемы и нали­чия малых искажений.

Особенности импульсных детекто­ров рассмотрим на примере последовательного диодного детектора (см. рис. 7.1). Интерес представляет иска­жение огибающей импульса —■ рас­тяжение переднего и заднего фронтов и срез вершины. Эти параметры мож­но было бы легко найти из эквивалент­ной схемы детектора рис. 7.6 (с добав­лением переходного конденсатора, если он имеется в реальной схеме), если бы отсутствовало сложное нели­нейное взаимодействие детектора с источником сигнала в процессе изме­нения напряжения на нагрузке.

Пусть на вход каскада, к которому подключен детектор, подается прямо­угольный радиоимпульс с- ампли­тудой £/₀в.\-.ус ^и длительностью т (рис. 7.12, а). В момент времени t -•= 0 на нагрузке детектора не было напряжения, поэтому в этот момент времени" угол отсечки 6 = л/2 (см. рис.. 7.5). По мере зарядки нагрузоч_:

ного конденсатора и появления на­пряжения {/_ (I) рабочая точка "диода смещается влево ив-*- в ■„ где €>_y — установившееся значение угла отсечки (рис. 7.12, б). В соответствии с измене­нием в изменяется и сопротивление R_BX от R_BK -= 2Ri в момент времени / ----- 0 до R_BK -— /?_вх._у в стационар­ном состоянии (рис. 7.12, в).

Одновременно изменяется полное нагрузочное сопротивление каскада, работающего на детектор, а следова­тельно, и;его усиление. Как видно, . амплитуда напряжения на входе детектора; U₀ (t) «-£/_0вх._ус К_ус (0. -а форма- импульса на входе де­тектора отлична от прямоугольной (рис. 7.12^ г). Это значительно услож­няет расчет времени установления видеоимпульса на выходе детектора. Анализ нриводит к приближенной расчетной-1формуле:

t_y^5Cm^2R_i)~~^У—■. (7.36)

где R_K -^ резонансное сопротивление контура ^усилителя без учета /?_вх (если детектор подключен к- контуру с коэффициентом трансформации п, то вместо /?_к подставляют/?к = n²R_H)-

После окончания входного импуль­са диод пр^~д^ё!тфЪЪа1ш1Г^и^ьн1ь7х" "~ сигналов практически запирается (остается только его обратное сопро­тивление- ^обр> зависимостью кото­рого от приложенного напряжения обычно можно пренебречь). При этом происходит разрядка нагрузочного конденсатора через сопротивление /?||/?обр и форму заднего фронта вы­ходного импульса можно считать экспоненциальной (рис, 7.12, д).

Время спада, исчисляемое., как интервал времени от момента оконча­ния импульса до момента, когда на­пряжение U_ (/) достигает значения 0,1 U^(T)_f ,

^_п-2,ЗС(#||Я_обр). Ч Л7.37)

Обычно t_cu >/_у и сопротивление нагрузки рассчитывают по допусти­мому времени спада• при _; выбранной

емкости С. Последняя должна удов­летворять условию достаточности с точки зрения коэффициента переда­чи (т_р > Т_ш или хотя бы т_р « «(2-г-З) Т_а, С»С_Д).

2. Пиковый детектор. Пиковый детектор представляет собой по су­ществу обычный детектор, обладаю­щий настолько большой постоянной времени разрядки нагрузочного кон­денсатора, что между импульсами на­пряжение на нем мало изменяется и остается примерно пропорциональ­ным^ амплитуде последнего импульса (рис. 7.13). С этой точки зрения обыч­ный детектор с постоянной времени т_р > Т_ш является пиковым при не­прерывном сигнале. Когда же роль несущего колебания выполняет им­пульсная последовательность с пе­риодом повторения импульсов Т, для сохранения «пиковости» детектора не­обходимо выполнить условие т_р > Т. Если, как это чаще всего бывает, т_р > 10 Т, спад напряжения на на­грузке между импульсами не будет превышать 10 %. ~

Сообщение с помощью импульсной последовательности может быть до­статочно точно передано при выполне­нии условия Tq> Т.

На основании изложенного можйб' сделать вывод, что при пиковом де­тектировании радиоимпульсов оста­ются в силе все "расчетные формулы для детектора непрерывного сигнала. Следует только учитывать, что для полной эквивалентности всех показа­телей детектора при переходе от не­прерывного сигнала^ к импульсному необходимо выполнись условия, при которых положение^рабочей точки в случае импульсного ^сигнала на входе детектора будет.таким же, как и в слудае непрерывного сигнала, и эта рабочая точка будет столь же непод­вижной. Этого, можно добиться соот­ветствующим увеличением нагрузки R и постоянной времени т_р. В частно­сти, если диод имеет идеальную ли­нейно-ломаную характеристику, то подача сигнала со скважностью q — — Т у'т приводит к тому, что в q раз

уменьшается постоянная составляю­щая тока через диод, т. е.

СП

/_ =----—(sin6-6cos0)- (7.38)

Так как по-прежнему /_ = UJR ~ = Uо cos Q/R, получаем уравнение для нахождения утла отсечки в виде

tgO — e--=nq{SR. (7.39)

Понятие входного сопротивления имеет смысл только при действии сиг- : нала на входе детектора и, следова­тельно, выражение для R_BX сохраня­ется таким же, как и при непрерыв- : ном сигнале: ' ]

я ! -1

р _ —-------------------__

^Авх ~~ S О — sin Btos6

_Л- ;^⁶-^е, __-_' п АЛ» _

- q 9 - si п в cos в '"' : "" ⁽ " '"

Таким образом, в данном случае достаточно увеличить в ф раз сопро­тивление нагрузки детектора, чтобы " восстановить все его качественные по­казатели при переходе от непрерыв­ного сигнала к импульсному.

При необходимости неискаженного воспроизведения огибающей импульс­ной последовательности должны быть выполнены обычные условия:

Q_Bx_p < V(l — т^г)!т\ '\RqIR- > т. 3. Детектор видеоимпульсов. Роль

несущего колебания здесь выполняет последовательность видеоимпульсов. Амплитуда видеоимпульсов изменя­ется в соответствии с законом модуля­ции (рис. 7.14). Задача^ детектора — выделить огибающую видеоимпульс­ной последовательности^ Очевидно, должны выполняться условия

Tq > Т, ■ т_рн » Т, -т₃<т, Й_вт_р < </(1 — m²)/m, R_Q/R->m. В боль­шинстве случаев амплитуда видеоим­пульсов весьма велика и использует­ся диодный детектор, обладающий на­ибольшей перегрузочной способ­ностью.

Могут применяться последова­тельная и параллельная схемы. Па­раллельная схема предпочтительнее, когда импульсы снимаются с выхода видеоусилителя и требуется изоля­ция диода от высокого напряжения источника питания.

При изучении переходных про­цессов каскад видеоусилителя и де­тектор необходимо рассматривать как

одно целое, поскольку спектры, вход­ного и выходного процессов перекры­ваются и нельзя-ограничиться учетом реакции детектора на усилитель че­рез изменяющееся значение величины

Rnv

Схема последовательного детекто­ра видеоимпульсов изображена на рис. 7.15. В ней предшествующий уси­лительный каскад заменен источни­ком — генератором ЭДС £,, с внут­ренним сопротивлением £?_лд а пара­зитные, шунтирующие вход: детектор а емкости отброшены как несуществен­ные. JT

Формирование выходного на­пряжения ицс иллюстрируется рис. 7.14. За время существования входного импульса нагрузочный кон­денсатор С заряжается с ггостоянной времени . т₃ .= ((#„ + Ra) \\R\C « »(#н + -R№- Если т₃ < £/3-И/5)т, то конденсатор успевает дарядиться практически до амплитудного значе­ния импульса. V

В промежутках между'-импульса­ми конденсатор разряжается с посто­янной времени т_р =П/?|[(/?_ц + + #обр)1 С « RC. Если ^выполняет­ся условие~Тр > (Т — т) « Т, то по­теря напряжения между импульсами _ будет,, дчен^Он^значительной^ Таким образом, детектор видеоимгТуТГьсов^ при выполнении указанных условий является пиюэвым детектором с коэф­фициентом передачи, близким' к еди­нице. ^~

Схема параллельного детектора видеоимпульсов ^изображена на рис. 7.16. Здесь за время действия им­пульса конденсатор С заряжается с постоянной времени т₃ = [/?_и+ + (ЯЖЯИЗДС «'(«и + Rt) С. Раз­рядка конденсатора между импульса­ми происходит с постоянной времени

В любойлюмент времени напряже­ние на нагрузке ur — «_вх — и_с, где ид — -напряжение на конденсаторе G, изменяющееся так, как показано на рис. -'■?. 14 (urc) • Следовательно, фор­ма напряжения на нагрузке R будет такой, как на рис. 7.17 (и_аК — «_с)-Это напряжение . содержит , постоянную

.- составляющую, которая может быть ■выделена после дополнительной 'фильтрации в фильтре нижних частот ^кфСф -с постоянной времени 'Тд > ■'^ ^фСф У> Т. При выполнении усло-/ 1 2\ вий т₃ < I— -г-т) ^т, ^тр У? Т коэф­фициент передачи детектора получает­ся очень близким к единице.