книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

пряжения конденсатор заряжается с малой постоянной времени, рав­

нагрузки. Этот неуправляемый разряд характеризуется постоянной времени, равной Тр —RC (участки БА', Б'А", ...), и происходит до тех пор, пока величина мгновенного значения переменного напряжения на диоде не превысит величину напряжения на емкости « > «cMlw-

Коэффициент пульсации, являющийся третьим основным парамет­ ром детектора, можно характеризовать отношением

где 6/_, — выпрямленное напряжение на нагрузке детектора. Величина т]п определяется схемой и параметрами детектора.

В заключение определим внутренние параметры детектора. Их можно рассчитать или найти по характеристикам выпрямления. Для расчета параметров первое выражение (8.37) представим в виде

яя

Если свести (8.46) к структуре выражения для закона Ома, то получим

i+ s r —

яSQ

Сравнивая первое выражение (8.18) с (8.47), приходим к выводу, что параметры детектора можно определить выражениями

Для графического нахождения параметров детектора по известным характеристикам выпрямления воспользуемся рис. 8.9. Первоначально проведем нагрузочную прямую из начала координат под углом а =

— arctg (1/i?) и определим рабочую точку 0 как пересечение характе­ ристики при амплитуде U — 1)г с нагрузочной прямой. Задаваясь при­ ращением амплитуды напряжения на входе детектора ЛU — U2 — Ult построим соответствующее ему приращение выпрямленного тока. Тогда в соответствии с определением параметры рд, 5 Д, R ia в рабочей точке могут быть выражены в виде

Точность определения параметров повышается с уменьшением ин­ тервалов между соседними кривыми семейства характеристик выпрям­ ления.

8.7. Детектирование сильного модулированного сигнала на ламповом диоде

Напомним, что при детектировании модулированного сигнала с оги­ бающей V (t) = U0 [1 + т cos (Ш + ср)1 параметры нагрузки детек­ тора выбирают л з условия

которое на практике не всегда выполняется идеально, особенно когда частота несущей со соизмерима с частотой низкочастотного сигнала Q. Тогда сопротивление нагрузки детектора на частоте модуляции можно приближенно считать равным сопротивлению постоянного тока Z (jQ) fa та R. В этом случае уравнение детекторной характеристики AU= =

— — — U cos 0 линейного детектора остается справедливым для модулированного сигнала, и можно записать

идеальном детекторе его коэффициент передачи одинаков для модули­ рованного и немодулированного сигналов.

Равенство Кя = /Сда = cos 0 можно получить также, подставив в (8.19) значения параметров (8.48).

292

Перейдем к рассмотрению вопроса о нелинейных и частотных иска­ жениях, понятие о которых было введено в §8.3.

Нелинейные искажения. Как уже было показано, детектирование слабых сигналов всегда сопровождается нелинейными искажениями (8.29). Нелинейные искажения могут возникать и при детектировании сильных сигналов вследствие неравенства сопротивления нагрузки де­ тектора постоянному току и току частоты модуляции пли из-за инер­ ционности нагрузки детектора. Им соответствуют условия

Рассмотрим нелинейные искажения, возникающие при неравенст­ ве сопротивления нагрузки детектора постоянному току и току частоты модуляции; этому случаю соответствует первое условие (8.52). Обра­ тимся к схеме, приведенной на рис. 8.14, в которой из-за наличия пе­ реходной цепи между детектором и входом усилителя низкой частоты сопротивление нагрузки для тока частоты модуляции получается рав­ ным

Rq — RcRKRo + R),

а сопротивление нагрузки постоянному току /?= — Rx -f- R2, причем

R ^ > Rq-

Для выявления возникающих нелинейных искажений обратимся к характеристикам выпрямления, изображенным на рис. 8.15. Они

соответствующая амплитуде напряжения 11 = 0, представляет собой идеализированную статическую характеристику детектора (8.30). Режим работы детектора в отсутствие модуляции входного напряжения будет характеризоваться рабочей точкой Л; она образуется в результа­ те пересечения нагрузочной прямой, проведенной под углом а = = arctg (1/7?), с характеристикой, соответствующей амплитуде напря­ жения U = f/0.

При модулированном напряжении нагрузочной прямой для токов модулирующей частоты будет являться другая прямая, образующая

293

с осью абсцисс угол р = arctg (1//?я), причем р > а. В отличие от предыдущей нагрузочной прямой она называется динамической и проходит также через рабочую точку А, поскольку положение рабочей точки определяется постоянным напряжением на нагрузке детектора. При уменьшении глубины модуляции входного напряжения точки Б и В будут стремиться к точке А, где Б и В — точки пересечения ди­ намической нагрузочной прямой с характеристиками, полученными при амплитудах напряжения U — U0 (I + т) и U = U0 (1 — т) соот­ ветственно.

Очевидно, нелинейные искажения отсутствуют, если нагрузочная прямая пересекается с характеристикой, снятой при U — U0 (1 — т), выше оси абсцисс. При изменении амплитуды входного напряжения пропорционально закону модуляции изменяется выпрямленный ток А/= (Ь> а следовательно, и выпрямленное напряжение (t). Одна­ ко при увеличении глубины модуляции входного напряжения или, что одно и то же, при уменьшении сопротивления нагрузки Rq точка их пе­ ресечения может оказаться ниже нуля, что будет свидетельствовать о наличии нелинейных искажений. Действительно, увеличивая глубину модуляции входного напряжения до значения, которому соответствует новая характеристика (пунктирная линия), убеждаемся, что точка пе­ ресечения Г лежит ниже оси абсцисс. В этом случае при уменьшении амплитуды входного напряжения получается отсечка выпрямленного тока, поскольку в цепи детектора не может быть выпрямленного тока меньше нуля. Возникновение нелинейных искажений, связанных с от­ сечкой выпрямленного тока, обусловлено действием запирающего на­ пряжения, образуемого на конденсаторе Ср переходной цепи Ср, Rc. Дело в том, что разряд емкости Ср на суммарное сопротивление R + -f Rc происходит медленно, и в течение времени — t 2, когда диод находится в запертом состоянии, напряжение на конденсаторе практи­ чески мало изменяется. Следует иметь в виду, что в целях уменьшения частотных искажений в области низких частот QHвеличину емкости Ср

294

выбирают достаточно большой. Представляя значение запирающего напряжения как

видим, что для уменьшения £ зап следует либо увеличивать R c, либо уменьшать R (R — /?=). Однако уменьшение R приведет к снижению входного сопротивления детектора, а увеличение R c — к образованию напряжения на входе лампового усилителя из-за действия ионных то­ ков. Чтобы уменьшить величину £ зап, а следовательно, и степень не­ линейных искажений, нагрузку детектора разделяют на Rt и R it причем R 2 « 0,1/?! (см. рис. 8.14); последнее связано с уменьшением коэффициента передачи детектора. Положение нагрузочных прямых в плоскости характеристик выпрямления на рис. 8.15 отражает режим, называемый режимом критической модуляции, при котором не воз­ никает еще нелинейных искажений. В этом случае обеспечивается равенство токов /_, и I&, определяемых выражениями

Таким образом, при нагрузке детектора R — 100 кОм его входное сопротивление R BX та 50 кОм может сильно шунтировать контур узко­ полосного усилителя промежуточной частоты, ухудшая тем самым из­ бирательность и чувствительность приемника. Если же разделить на­ грузку на R t и R 2, как сделано в схеме на рис. 8.14, то при R 0 — 1 МОм можно принять R 2 = 100 кОм (пг 0,9). Тогда суммарное сопротив­ ление нагрузки детектора, определяющее его входное сопротивление, будет равно R та 1 МОм, поскольку R x та 900 кОм. Сопротивление R t обычно шунтируют небольшой по величине емкостью С2 так, чтобы вы­ полнялись два неравенства

1/<юС2 > (2 -f- 3)Rt, 1/<оС2 « Rt.

Сопротивление нагрузки детектора для тока частоты модуляции можно принять равным Rq = Ri + R 2R C/(R2 + Rc), если величина емкости С выбрана из условия 1 /QC > R.

Приведенные построения показывают возможность непосредствен­ ного определения полезного результата детектирования. При равен­ стве Rq — R= динамическая нагрузочная прямая совпадает с нагрузоч­ ной прямой, построенной под углом а. При изменении амплитуды вход­ ного напряжения от U0 (1 + m) до U0 (1 — m), что соответствует точ­ кам Б ' , В' на нагрузочной прямой, выпрямленное напряжение меняется

205

от до U=2- Графические методы расчета с использованием характе­ ристик выпрямления, снимаемых обычно экспериментально, приме­ няют тогда, когда отсутствуют простые аналитические методы расчета; в частности, они дают достаточно точные результаты при средних и сильных сигналах, если сопротивление нагрузки детектора невелико.

Рассмотрим нелинейные искажения, возникающие вследствие инер­ ционности нагрузки детектора; в этом случае неравенство 1/QC > R не выполняется. Физические процессы при комплексном характере на­ грузки детектора, для которого SR » 1 и ^ » R t, иллюстрируются на рис. 8.16. В установившемся режиме при положительных напряже­

конденсатора т3 — R tC. Свободный разряд емкости на сопротивление будет определяться экспоненциальной кривой АБ, проходящей выше огибающей UBX (/).

Очевидно, нелинейные искажения будут отсутствовать при условии

где ис = Uca exp {—t/Rc) — напряжение на нагрузке детектора при запертом диоде; UBX (t) = U0 [1 + т cos (Qt + <p)] — огибающая входного напряжения.

Продифференцируем выражения ис (0 и UBX (t) и подставим зна- - чения их производных в неравенство (8.52). Тогда, принимая за начало отсчета момент времени, соответствующий точке A (t = 0), получаем

то условие (8.53) принимает вид

296

и должно выполняться при любом значении фазы ер, зависящем от по­ ложения точки А на огибающей (JBX (t). Самым неблагоприятным яв­ ляется такое значение фазы, при котором правая часть неравенства (8.57) максимальна. Дифференцируя правую часть (8.57) по <р и при­

которое получило название условия безынерционное™ детектора. При нарушении условия (8.58) напряжение на нагрузке детектора не следует за спаданием амплитуды входного напряжения и емкость С вызывает нелинейные искажения; в этом случае детектор оказыва!ется инер­ ционным.

Условие безынерционное™ (8.58) можно использовать при детекти­ ровании напряжения, модулированного сигналами нескольких ча­ стот. В этом случае за частоту модуляции в знаменателе правой части неравенства следует принять частоту наивысшей частоты модуляции

(Q = Q B).

Частотные искажения. Как уже отмечалось, частотные искажения возникают вследствие неодинаковости сопротивления нагрузки детек­ тора различным частотам модуляции входного переменного напряже­ ния. Для их определения воспользуемся линейной эквивалентной схе­ мой детектора. Согласно рис. 8.6, б коэффициент передачи детектора равен

Для высокой и низкой частот модуляции выражение (8.59) приво­ дится к виду

297

где R3 = RinR/(Rin + R )— эквивалентное сопротивление* причем R* С R, поскольку R iK < R при условии SR > 1 и © -v 1.

Разрешая (8.58) относительно mHp, получаем выражение

т кр= 1/ У 1 + (QCjR)2,

по виду аналогичное выражению (8.61). Отсюда можно сделать важ­ ный вывод о том, что при выполнении условия безынерционное™ де­

Частотные искажения в области низких частот могут возникнуть из-за наличия разделительной цепочки между выходом детектора и входом усилителя низкой частоты (см. рис. 8.13). При заданном коэф­ фициенте частотных искажений Мн величину Ср выбирают из условия

известного из теории усилителей низкой частоты.

В заключение параграфа сформулируем основные требования по выбору параметров диодного детектора.

Выбор параметров детектора. Из анализа работы диодного детек­ тора следует, что с увеличением амплитуды входного переменного на­ пряжения улучшаются основные параметры детектора — возрастают коэффициент передачи и входное сопротивление и уменьшаются не­ линейные искажения. Поэтому в первую очередь амплитуда детекти­ руемого напряжения должна быть такой, чтобы обеспечивался режим детектирования сильных сигналов. В этом случае детектор будет при­ ближаться к линейному, идеальному детектору.

При выборе SR > 1, что соответствует 0 -> 0, согласно рис. 8.10 и выражению (8.39) коэффициент передачи детектора Кя « 1. Большая величина сопротивления R обеспечивает также большее значение RBX, что уменьшает шунтирование контура, питающего детектор, ис­ кажения огибающей модулированного сигнала и избавляет от необхо­ димости применения неполной связи детектора с питающим контуром. Кроме того, с ростом R уменьшается протяженность нелинейного участка детекторной характеристики (см. рис. 8.3). Однако при детек­ тировании немодулированного сигнала увеличение R может быть ог­

ной времени разряда, характеризующее допустимую инерционность детектора и определяемое его назначением. При детектировании моду­ лированного сигнала величина R должна быть такой, чтобы не нару­

2М

В общем случае большая емкость С уменьшает пульсации выпрям­ ленного напряжения. Вместе с тем, увеличение С при выбранном зна­ чении сопротивления R может привести к появлению линейных и осо­ бенно нелинейных искажений, обусловленных инерционностью на­ грузки детектора. Поэтому величина емкости Сдолжна удовлетворять прежде всего условиям С > Скр (см. рис. 8.12) и С > Смин, где Смин > ^ 10 Са„, при которых не снижается существенно коэффициент пе­ редачи. При детектировании модулированного сигнала основным ус­ ловием выбора С является условие безынерционное™ детектора (8.58).

8.8. Особенности детектирования на полупроводниковых приборах

Среди детекторов на полупроводниковых приборах широко исполь­ зуют детектор на обычном кристаллическом диоде. В последнее время применяют детекторы на транзисторах, а с появлением туннельных дио­ дов — детекторы на туннельных и обращенных диодах. Рассмотрим основные особенности таких детекторов.

Детектор на полупроводниковом диоде. Принципиальная схема такого детектора полностью соответствует схеме детектора на электро­ вакуумном диоде (см. рис. 8.1). Нелинейным элементом в ней могут слу­ жить германиевые или кремниевые диоды, например типа Д 1, Д2, Д9 и др. По сравнению с ламповыми диодами полупроводниковые диоды обладают: малой междуэлектродной емкостью, более длительным сро­ ком службы, меньшими габаритами и весами, высокой механической прочностью и, вследствие отсутствия накала, не требуют энергии источ­ ников питания. Разброс параметров, нестабильность и зависимость па­ раметров от температуры следует отнести к существенным недостаткам полупроводниковых диодов.

При сравнительно больших сигналах (U > 0,7 ч- 0,8 В) реальную статическую ВАХ часто аппроксимируют в виде двух отрезков прямых (рис. 8.17), причем ее можно представить как сумму двух характери­ стик. Одна характеристика i2 = <р (и) соответствует линейному сопро­ тивлению и строится под углом Р (tg Р = 5 0бр), а другая характеристи­ ка ix — ф (и) — аналогична характеристике линейного детектора на

торой он заменен параллельным соединением идеального диода Д', крутизной S ' « S и сопротивлением /?0брПоэтому сопротивление на­ грузки такого детектора постоянному току R 3следует определять с уче­ том сопротивления R 06p, так что

Очевидно, с увеличением амплитуды входного напряжения сопротивле­ ние диода при отрицательных напряжениях уменьшится и величина эквивалентного сопротивления будет примерно равна R 3 л* R 06p даже при больших значениях сопротивления нагрузки R.

299