книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

Входное сопротивление должно определяться также с учетом об­ ратного сопротивления диода и может быть представлено в виде

Формулы, полученные для линейного детектора на ламповом диоде, будут справедливы для детектора на полупроводниковом диоде, если в'них сопротивление нагрузки и входное сопротивление определять по (8.64) и (8.65), соответственно. Для непосредственного использования

мально допустимого обратного напряжения, ограничивающая величину детектируемого сигнала.

Подобно характеристикам ламповых диодов область относительно небольших напряжений (участок АБ на рис. 8.17) часто аппроксими­ руют экспоненциальной функцией вида

где г0, а — параметры, зависящие от типа диода и величины рабочего участка; для кремниевых диодов при и » ±0,8 В i0 ^0,25 — 0,3 мкА,

51/В.

Вустановившемся режиме к детектору будет приложено напряже­

ние

300

Тогда ток в цепи детектора можно представить уравнением

i = «о exp (aU=) exp (aU0 cos со/) — i0 =

в котором периодическая функция exp aU0 cos со/ представлена рядом Фурье, члены которого выражаются функциями Бесселя от мнимого аргумента jx (1п (х) = |У„ (jx) |).

Постоянная составляющая и 1-я гармоника тока детектора полу­

Выражения (8.69) позволяют получить основные характеристики де­ тектора, называемого часто экспоненциальным [1]. Далее они будут получены для детектора на транзисторе, нелинейная характеристика которого может быть аппроксимирована в виде (8.66).

Rj*20 кОк

R^iOuOH

Rs =5xQti

Рис. 8.18

На рис. 8.18 изображены экспериментальные зависимости коэффи­ циента передачи и входного сопротивления детектора на диоде Д9 при трех значениях сопротивления нагрузки. Эти зависимости показывают, что при увеличении амплитуды немодулированного и амплитудно-мо- дулированного сигналов коэффициенты передачи KR и KRa увеличи­ ваются, а входное сопротивление R BX уменьшается; в интервале ампли­ туд 0,5 В < £ /< 1В основные параметры детектора изменяются не­ значительно.

Детектор на транзисторе. Различают три основные схемы такого детектора — базовую, эмиттерную и коллекторную, получившие свое название в соответствии с местом включения нагрузки. В схеме кол­ лекторного детектора (рис. 8.19, а), в которой транзистор включен пв

301

схеме с общим эмиттером, детекторный эффект определяется нелиней­ ностью проходной характеристики / к= ф (НСэ) при Нка= = const. Эта схема позволяет осуществить детектирование сигнала с его усилением (Кд~> 1) и обеспечивает существенно большее входное сопротивление, чем схема, в которой транзистор включен по схеме с общей базой. В ней под действием входного сигнала ис изменяется ток базы, который управляет коллекторным током. Схема эмиттерного детектора (рис. 8.19, б), выполняемая подобно катодному повторителю на элект­ ронной лампе, обладает коэффициентом передачи, меньшим единицы, но имеет сравнительно высокое входное сопротивление, что является

д

ее важным достоинством. Кроме того, при малой величине нагрузки /?8 в ней облегчается согласование детектора с последующими цепями транзисторного приемника; подобно тому, как и в усилительных схемах на транзисторах, резистор R 3 одновременно обеспечивает температур­ ную стабилизацию коллекторного тока в начальной рабочей точке.

Эффективность детектирования в коллекторном детекторе оказы­ вается наибольшей при небольших отрицательных напряжениях на базе ( ^ б э - ~ 0 , 0 1 -т- 0 , 0 5 В), которые, как и в усилителях, устанавли­ ваются с помощью делителя напряжения R u R 2-

При детектировании входного сигнала в коллекторном детекторе возможно использование нелинейности входной характеристики i6 — = ф (Обе) при UK9 = const. Из-за нелинейных свойств базовой цепи на сопротивлении /?х создается также дополнительное постоянное на­ пряжение. Если в схеме на рис. 8.19, а емкость Сх выбрать из условия 11(лСх < < l/QCls то при детектировании модулированного сигнала на сопротивлении Rx образуется также переменное напряжение с час­ тотой модуляции входного сигнала. Указанные напряжения действуют как дополнительное смещение и тем самым оказывают дополнительное влияние на изменение величины коллекторного тока. Детекторные эффекты в базовой и коллекторной цепях транзистора по своему влия-

302

нию на коллекторный ток противоположны. Поэтому детектирование в базовой цепи будет приводить к снижению коэффициента передачи детектора. В тех случаях, когда дополнительное детектирование, иногда называемое эффектом обратного детектирования, нежелательно, следует уменьшать сопротивление R lt а емкость Сх выбирать из усло­ вия 1/ПСх ^ (5 -г- 10)ЯХ. Однако в ряде случаев дополнительное детек­ тирование используют на практике, поскольку при этом увеличивает­ ся, и это весьма важно, предельная амплитуда входного сигнала, при которой еще не наступает режим ограничения в коллекторной цепи, а также снижаются нелинейные искажения детектируемого сигнала; последние в коллекторном детекторе достаточно велики (vHeJI » 5 -ь

Детектор, в котором происходит детектирование в базовой и кол­ лекторной цепях, называют коллекторно-базовым.

Эффективную линеаризацию детекторной характеристики, сопро­ вождающуюся увеличением предельной амплитуды детектируемого сиг­ нала с одновременным уменьшением коэффициента передачи, обеспе­ чивают при совмещении коллекторного и эмиттерного детекторов. На рис. 8.19, в изображена обобщенная схема детектора, в которой ре­ зистор R з для токов несущей частоты шунтируется емкостью С3, а для токов частоты модуляции цепочка R 3, С3 создает отрицательную об­ ратную связь. В схеме источник сигнала представлен эквивалентным

стора. Проходную характеристику транзистора аппроксимируем экспоненци­ альной функцией вида

где /0 — начальный ток коллектора; 1)т*=> ткТ1е — температурный потенциал, причем при Т—300 К,UT m 26 мВ для германиевых и UT ss 32 мВ для кремни­

евых транзисторов.

Представление в виде (8.70) справедливо при токах коллектора /,, < 3 -г 4 мА, что часто обеспечивается на практике. Оно также не учитывает ли­ неаризующего действия объемного сопротивления гоОдновременно заметим,

ном режиме, ма/В.

Приложим ко входу детектора переменное напряжение и — U0 cos « 01. На основании (8.70) и рис. 8.19,в ток в коллекторной цепи можно представить в виде

exp (u3cos ©о t), (8.71)

где L/0 = U<JUT — нормированная амплитуда входного сигнала; 0 — усреднен­ ное значение коэффициента передачи тока базы.

аоз

поскольку функция Бесселя при больших значениях аргумента может быть пред­ ставлена в виде /0 (х) ж (ехр х)/У'2пх.

При принятых допущениях (А > 10) коэффициент передачи детектора /\д оказывается мало зависящим от величины сопротивления в эмиттерной цепи и от значения тока в рабочей точке. Полученное выражение (8.78) аналогично формуле для коэффициента передачи экспоненциального диодного детектора при больших сопротивлениях нагруз-

жиме RBX у, определяемым в рабочей точке /к= при условии Н0= 0 и при приня­

том допущении равным сопротивлению эмиттера rn = p/g21. При определении

(8.80) принималось что величина /дj ■= /к1/(3 изменяется в зависимости от ве­ личины параметра А.

» 0,5 П0.

Расчет показывает, что величина входной емкости детектора при приня­ том условии I < /р, позволяющем пренебречь влиянием сопротивления гд,

305

может быть определена выражением

где Сву — входная емкость транзистора в усилительном режиме, представля­

усилительного каскада практически не зависит от режима транзистора по по­ стоянному току.

При детектировании модулированного сигнала с коэффициентом модуля­ ции ш ^ 0,3 -г 0,5 крутизна детектирования получается равной

А) (Уо) ^Л Ф*

X (Но) (У + 1)/Ао(Уо)- При этом коэффициент передачи детектора при коллектор­ ном выходе равен

сопротивление и крутизна детектирования транзисторного детектора. В частно­ сти, крутизна детектирования для линейного детектора может быть выражена

зультат детектирования; однако при этом улучшается линеаризация детектор­ ной характеристики и уменьшаются нелинейные искажения сигнала.

Детектор на туннельном диоде. Детекторы на туннельных диодах обеспечивают высокую эффективность детектирования весьма малых сигналов (Уж 1-4-10 мВ, где U — амплитуда переменного напряже­ ния на переходе диода (см. рис. 4.19). Использование такого детектора наиболее целесообразно в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн вплоть до миллиметровых волн. На рис. 8.22, а изображена прин­ ципиальная схема детекторного приемника, а на рис. 8.22, б — его эквивалентная схема. В таких простейших приемниках детекторы кон­ структивно выполняют в виде волноводных устройств с встроенными в них диодами. Нагрузка детектора по постоянному току образуется сопротивлениями и /?2, входящими в цепь подачи напряжения сме'

306

щения на диод от источника постоянной э. д, с. £ с„. Сопротивление на­ грузки составляет малую величину, равную R ж 20 200 Ом; ем­ кость С шунтирует сопротивление резистора по высокой частоте, а на­ пряжение частоты модуляции поступает через разделительный конден­ сатор Ср к последующему видеоусилителю, вход которого представлен цепочкой /?вх, Свх.

Рассматривают два типа детекторов на туннельных диодах — де­ тектор регенеративного типа с использованием нелинейности пада­ ющей ветви статической ВАХ диода и детектор нерегенеративного типа, в котором рабочую точку выбирают на восходящем участке характе­ ристики. В первом случае обеспечивается детектирование сигнала

и одновременное усиление за счет отрицательного сопротивления, вно­ симого диодом в резонансную систему. В этом случае повышается ам­ плитуда напряжения сигнала на переходе диода и соответственно уве­ личиваются выпрямленный ток и чувствительность детектора. Для обычного детектирования используют не только ТД, но и обращенные диоды (ОД), являющиеся модификацией туннельных диодов. Стати­ ческая ВАХ ОД отличается от характеристики ТД меньшей величиной пикового тока и тем, что на ней может отсутствовать выраженный па­ дающий участок с отрицательной проводимостью (рис. 8.23, а). Не­ линейные свойства характеристики ОД обычно задают отношением об­ ратного тока к прямому при некоторой величине напряжения смещения в обратном и прямом направлениях. В детекторах на ОД, как правило, отсутствует принудительное смещение, а величина сопротивления на­ грузки имеет тот же порядок, что и для детекторов на ТД при наличии принудительного смещения.

При детектировании слабых сигналов, а это в ряде случаев пред­ ставляет наибольший интерес, рассмотрение детекторов на туннельном и обращенном диодах можно провести на основе общей теории слабых сигналов. Однако для удовлетворительного описания детекторов не всегда достаточно ограничиться тремя членами разложения функции

307

Последнее связано с тем, что на статической ВАХ диодов (рис. 8.23, а) существуют точки, в которых 1 я или 2-я производные разложения i = ф (и) обращаются в нуль и возрастает удельный вес 3-й произ­ водной в образовании мощности,

поглощаемой диодом.

На сверхвысоких частотах де­ тектор характеризуют рядом пара­ метров, не рассматриваемых ранее. К ним, в частности, относятся коэф­ фициент передачи по мощности Клр и чувствительность по току Ад;.

тивлении потерь диода.

Очевидно, при согласовании входного сопротивления детектора с волновым сопротивлением тракта, к которому подключается диод, мощность Рга будет равна мощности падающей волны от генератора (Рсвч).

308

Согласно (8.86) максимальное значение чувствительности обеспечивается

Если же определять чувствительность по току короткого замыкания на за­ жимах диода, то получим новое выражение

(1 + гдIRpm)-

В случае работы туннельного диода, соответствующей падающему участку статической ВАХ, выражения (8.90) и (8.91) изменятся следующим образом. В знаменателе величина дифференциального сопротивления по 1-й гармонике будет отрицательна (Rpni < 0), а в числителе появится дополнительный член, характеризующий увеличение амплитуды входного сигнала на переходе диода. Это увеличение приблизительно равно коэффициенту отражения падающей мощ­ ности, величина которого может быть существенно больше единицы. Вследствие этого эффективность регенеративного детектора оказывается на порядок выше эффективности нерегенеративного детектора. В свою очередь, минимальная чув­ ствительность обычных детекторов на ТД и ОД, за которыми следуют широко­ полосные транзисторные видеоусилители, превышает чувствительность детекто­ ров на точечных полупроводниковых диодах, используемых на сверхвысоких частотах, в среднем на 3 4- 8 дБ. На рис. 8.23, б изображены статическая ВАХ

8.9, Работа детектора при воздействии двух колебаний

В практике радиоприема приходится часто сталкиваться с одновре­ менным воздействием на детектор двух или нескольких высокочастот­ ных колебаний. Рассмотрим основные явления, обусловленные детекти­ рованием двух высокочастотных колебаний. Эти колебания могут быть полезными и действовать на одной частоте или на несколько отлича­ ющихся частотах; одно из двух колебаний без модуляции или с ампли­ тудной модуляцией может быть полезным, а второе представлять собой

309