книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

то напряжение, образующееся на зажимах б—б (U = (Л=), будет обус­ ловлено только действием постоянной составляющей /= общего неси­ нусоидального тока, протекающего в цепи с нелинейным элементом,

и не будет содержать переменных составляющих. Первая гармоника

самплитудой 1а несинусоидального тока на входе детектора достаточ­ но полно определяет реакцию детектора на питающий его контур.

Таким образом, для нелинейного четырехполюсника можно соста­

вить два нелинейных уравнения:

Аналогичные уравнения можно получить также в случае изменения амплитуды входного напряжения по гармоническому закону. Тогда параметры нагрузки детектора нужно выбирать из условия выполне­

ния дополнительного к (8.11) требования Z (/Q) Ф 0. Нелинейные соотношения (8.12) в этом случае можно представить в виде

U (0 = ч>1 (t), и_ (01, /= (0 - ф2 \иа (0, (01. (8.13)

Уравнения (8.12) и (8.13) являются основой общей теории детекти­ рования, разработанной В. И. Сифоровым; они описывают основные процессы в детекторе и позволяют определить его характеристики.

Сначала рассмотрим нелинейные уравнения (8.12). Соотношение 1<л*= Ф1 (1ЛД при Ua = const соответствует семейству характеристик, называемых колебательными характеристиками. Другое соотношение

■= const — семейство характеристик выпрямления.

Отметим, что эти характеристики описывают только свойства не­ линейного элемента и не зависят от свойств нагрузки. Наличие в схеме на рис. 8.5 двухполюсника Z принципиально не меняет положения, так как выпрямленное напряжение образующееся на нем при протека­ нии тока /= и определяющее режим работы детектора, всегда может быть заменено некоторым источником постоянного напряжения Е0, равного /У=, действующим в выходной цепи детектора.

Введем внутренние параметры детектора, позволяющие получить линейную эквивалентную схему детектора по полезному результату детектирования и упрощающие определение ряда характеристик детек­ тора. Предположим, что входное напряжение получило бесконечно малое приращение. Тогда значение приращения выпрямленного тока

280

представляющим собой полный дифференциал нелинейного уравнения

/= = Ф (б/ш, UJ).

К р у т и з н о й х а р а к т е р и с т и к и д е т е к т о р а 5 Д называют первую частную производную выходного тока по входному переменному напряжению при условии, что выходное напряжение

Детекторные параметры аналогичны соответствующим параметрам усилительных ламп и связаны между собой соотношением рд — S nRin. Принципиальное различие между ними заключается в том, что рд, 5 Д, Riд характеризуют детектор по выходному выпрямленному эффекту,

Если входной сигнал представляет собой AM колебание с огибающей U (t) — U0 [1 + т cos (Ш +. ф)1, то при условии малого коэффициен­ та модуляции т будет также справедливо другое линейное уравнение вида

Вводя комплексные амплитуды огибающей входного сигнала Д Ua (t) = = mU0, входного тока Д/= (t) —/п и выходного напряжения Д£/= (/)= = уравнение (8.16) записываем в виде

Уравнения (8.15) и (8.17) при принятых допущениях позволяют пред­ ставить детектор линейными эквивалентными схемами, для которых справедлив закон Ома (рис. 8.6). Действительно, напряжение на на-

281

грузке равно A Un = Д/=/? == —U= при немодулированном входном

сигнале и О® = —IqZ при модулированном сигнале. Тогда, решая уравнения (8.15) и (8.17) относительно выходного тока, получаем

где £ э — э. д. с. эквивалентного генератора напряжения, равная £ э =

= цд1У0 в первом случае и £ э = рдт £ 0 во втором; /?,д — внутреннее сопротивление генератора напряжения.

Рис. 8.6

На основании эквивалентных схем нетрудно найти коэффициент передачи детектора. Схема на рис. 8.6, б позволяет построить частот­ ную и фазовую характеристики детектора. При выполнении условия Z (jQ) « R значение Кда получаем в виде

численно равном коэффициенту передачи для немодулированного ко­

лебания (Кда = Кд)- На рис. 8.7 изображена примерная зависимость внутренних пара­

метров от амплитуды входного сигнала, типичная для детектора на электровакуумном диоде. При детектиро­ вании сильных сигналов, наиболее часто встречающемся на практике, параметры рд, 5 Д, R ia практически сохраняются неизменными при значительных откло­ нениях амплитуды входного напряжения и эквивалентная схема справедлива при больших значениях коэффициента мо­ дуляции (т < 0,8 ч- 0,9). При слабых сигналах эти параметры сильно зависят от амплитуды входного напряжения и пользование схемой возможно лишь при малых значениях m (т <; 0,2 ч- 0,3).

Внутренние параметры детектора рд, 5 Д, R tn могут быть определе­ ны аналитически, а также рассчитаны по характеристикам выпрямле­ ния. Эти характеристики часто определяют экспериментально, что в ряде случаев оказывается более целесообразным по сравнению с их аналитическим определением. С помощью экспериментальных ха­ рактеристик можно найти полезный результат детектирования (А£/=, (JQ) и оценить степень нелинейных искажений.

282

Согласно изложенному параметры детектора можно рассчитывать аналитическими, графоаналитическими и графическими методами. В частности, графические методы широко используются для расчета па­ раметров детектора на электровакуумном диоде при средних сигналах

ческих методах требуется задание статической нелинейной характери­ стики, например статической ВАХ диода, некоторым аналитическим выражением. Это представление, называемое аппроксимацией истин­ ных характеристик, предусматривает выражение их в простой форме, удовлетворяющей инженерным требованиям и правильно отобража­ ющей реальные физические процессы в детекторе.

8.5. Детектирование слабого сигнала на ламповом диоде

Детектор на электровакуумном диоде выгодно отличается от детек­ торов на ламповых триодах и пентодах или на транзисторах тем, что наряду с работой при слабых сигналах может работать при сильных сигналах, не вносит при этом существенных нелинейных искажений и не нуждается в источнике постоянного напряжения. В различных схе­ мах радиотехнических устройств широко используют диоды типа

6X6, 6Х2П.

При работе детектора в режиме слабых сигналов используют паи- ' более криволинейный участок статической ВАХ диода (см. рис. 8.2). Этот режим соответствует амплитудам входного напряжения U ^

^ 0,1 -г 0,15 В и детектор работает без отсечки тока. Поэтому эффек­ тивность детектирования оказывается тем выше, чем больше асиммет­ рия статической ВАХ диода (см. рис. 8.2). Для повышения эффекта вы­ прямления в цепь детектора можно включить дополнительный источ­ ник постоянного напряжения. Однако при наличии его в цепи детекто­ ра AM сигналов возрастают нелинейные искажения модулирующего низкочастотного напряжения. Как правило, такой источник включают в цепь детекторов, работающих во вспомогательных устройствах, на­ пример в системах автоматической регулировки усиления (АРУ).

где 6/=0 — —/=0/? — напряжение на нагрузке R, создаваемое током /=0, протекающим в цепи нагрузки детектора при отсутствии входно­ го напряжения; А(7= = — M =R — приращение постоянной составля­ ющей, вызванное действием входного напряжения.

283

В режиме детектирования слабых сигналов как само входное на­

в ряд Тейлора по степеням малой переменной е и ограничиться первыми тремя членами разложения ввиду малости последующих членов:

I - ф ( Ц - о ) + Ф' ( и = о) в + ■Y - в2 + ... (8 . 2 2 )

Третий член разложения представляет полезный результат детектиро­ вания, поэтому, несмотря на малость этого члена, им пренебрегать нельзя, чтобы не оказалось Ai/= = 0.

В соответствии с разложением (8.22) постоянную составляющую то­ ка и амплитуду 1-й гармоники тока детектора определяем как

Найдем приращение постоянной составляющей тока Д/= вызванное действием входного напряжения. Это приращение может быть пред­ ставлено в виде

где /=0 —ф (t/=0), если при его определении во втором члене соотноше­ ния /= (8.23) пренебречь вторым слагаемым (величина Д(/1 At/=) и подставить значение At/= , равное At/= — —Д/=/?.

Соотношения (8.23) и (8.24) позволяют охарактеризовать основные свойства детектора слабых сигналов. Во-первых, на основании выраже­ ния (8.24) можно сделать важный вывод о том, что детекторная характе­ ристика диодного детектора при слабых сигналах практически квадра­ тична. В результате коэффициент передачи детектора получается про­ порциональным амплитуде входного напряжения, т. е.

что является одним из существенных недостатков режима квадратич­ ного детектирования и причиной его сравнительно редкого примене-, пня на практике.

Во-вторых, что не менее важно, входное сопротивление детектора оказывается обратно пропорциональным крутизне статической харак­

284

Отсюда следует, что входное сопротивление получается малым. Это значит, что такой детектор будет сильно шунтировать питающий кон­ тур. Очевидно, для получения более высокого значения R BX, что также соответствует большему значению /Сд, необходимо обеспечить рабочую точку, соответствующую малому значению тока и малому значению крутизны статической ВАХ диодов.

Можно показать, что детекторные параметры определяются выраже­ ниями

содержит приращение постоянной составляющей AU=t низкочастотное

и так же, как и /Сд, зависит от амплитуды входного напряжения, сопро­ тивления нагрузки и формы первичной характеристики нелинейного элемента.

Существенным недостатком квадратичного детектора является высо­

При выводе соотношений предполагалось, что величина емкости нагрузки детектора выбрана из условия

1/соС « R « 1/QC.

8.6. Детектирование сильного немодулированного сигнала на ламповом диоде

В современных приемниках, обеспечивающих достаточно большое усиление до входа детектора, как правило, используется режим детек­ тирования сильных сигналов. Для такого режима характерна работа

285

детектора с отсечкой тока. Статическую ВАХ диода обычно выражают идеализированной, линейно-ломаной функцией

где 5 = VRt — крутизна характеристики, на рис. 8.8, а она характе­ ризуется углом а, образованным осью абсцисс и прямой линейно-ло­ маной функции S = tg a; R t — внутреннее сопротивление диода при и > 0.

Представление статической ВАХ диода в форме (8.30) хорошо соот­ ветствует реальному ходу характеристики и существенно упрощает анализ детектора сильных сигналов. Детектор, обладающий такой, характеристикой, называют линейным.

Рассмотрим предварительно работу ненагруженного детектора

ного напряжения э. д. с. Е0 определяет положение рабочей точки А на идеализированной характеристике; при этом в цепи детектора проте­ кает начальный ток /=0. Очевидно, при подключении постоянной э. д.с. Е0 отрицательным полюсом к аноду начальный ток /=0 = 0. При под­ ключении к детектору источника высокочастотного напряжения в цепи детектора будет протекать несинусоидальный ток и в установившемся режиме максимальное значение косинусоидальных импульсов / макс определяется углом отсечки 0.

Напомним, что под углом отсечки 0 понимают половину той части периода высокочастотного напряжения в радианах, в течение которой : протекает ток в цепи детектора. Напряжение на детекторе равно и = '

28в

■I Изменение величины э. д. с. Е0 меняет значение угла 0 и позволяет при заданной амплитуде переменного напряжения управлять моментом открывания диода. В частности, при Е0 — 0 угол отсечки в короткозамкнутом детекторе 0 = 90°.

Согласно рис. 8.8, б выпрямленный ток равен

I^ — 1—0 + А/=,

где А/= — приращение выпрямленного тока, вызванное действием переменного напряжения; при /=0 = 0 величина /_ = А/= .

Для определения постоянной составляющей тока /= и амплитуды 1-й гармоники тока / и детектора воспользуемся готовыми графиками коэффициентов разложения косинусоидальных импульсов в ряд Фурье. Тогда

I—— /макс®о. Iа ~ /макс®1> * (8.32)

где /макс — максимальное значение тока; согласно рис. 8.8, б и соот­

— коэффициенты разложения постоянной составляющей и 1-й гармо­ ники тока соответственно, представляемые часто в виде графиков ah =

= Ф(0) (* = 0, 1, 2, ...).

Подставляя в (8.32) значения (8.33), получаем окончательно

Соотношения (8.34) вместе с выражением (8.31) определяют уравне­ ния характеристик выпрямления и колебательных характеристик для линейного детектора, вычисленные аналитически; для характеристик выпрямления уравнения можно записать в виде

Графики характеристик выпрямления и колебательных характе­ ристик изображены на рис. 8.9.

Работа нагруженного детектора. Для упрощения анализа примем, что э. д. с. постоянного напряжения в цепи детектора Е0 == 0. По-прежнему считаем, что емкость С настолько велика, что сопротив­ ление нагрузки детектора токам высокой частоты практически равно нулю. При принятой аппроксимации статической ВАХ диода началь­ ный ток в цепи детектора /=0 и, следовательно, напряжение на нагрузке </=о равны нулю, если переменное напряжение на входе детектора

287

получаемым на основании (8.37) и (8.6), также не решаемым аналити­ чески.

На основании графика cos 0 = ф (S R ) и выражения (8.41) можно построить зависимость R BX = ф (SR) (рис. 8.11). Укажем, что при больших значениях произведения SR (SR > 50 100; 0 < 35°), что часто бывает на практике, выражение (8.41) можно упростить.

о го w бо so sr

Для этого разложим функции sin 0 и cos 0 в ряд Маклорена; ограни­ чиваясь первыми двумя членами разложения и используя (8.41), по­ лучаем приближенное выражение

ное сопротивление R BX кз = 2Rt\ это значение обусловлено тем, что диод находится в открытом состоянии точно половину периода высокой частоты и за период высокой частоты его сопротивление кай бы удваи­ вается. Можно показать, что при изменении сопротивления нагрузки детектора от 0 до оо величина R BX изменяется от 2R t до 0,57?; поэтому в общем случае для R BX оказывается справедливой приближенная ли­ нейная зависимость R BX « 0,5 (4R t + R).

Входное сопротивление параллельного детектора меньше входного сопротивления последовательного детектора. В параллельной схеме