Покровский / УМК ОРЭ ч.1(для студентов) / Радиоэлектроника(часть1) / Ответы(часть1)№24

Диодные детекторы - 7 -

ДЕТЕКТОРЫ

Детектором называется устройство, преобразующее радиосигнал в напряжение или ток, пропорциональные параметрам преобра­зуемого радиосигнала. Детектор выполняет функцию, обратную функции модулятора, и используется для извлечения информации, содержащейся в радиосигнале. Детекторы, как и модуляторы, бывают амплитудными, частотными и фазовыми.

Основные показатели детекторов — коэффициенты нелинейных и частотных искажений, коэффициент передачи, выходное и вход­ное сопротивления. На детекторы поступают колебания с малой амплитудой, поэтому энергетические показатели несущественны. Для анализа нелинейных искажений пользуются детекторной харак­теристикой, отражающей зависимость выходного напряжения от модулированного параметра радиоколебания.

Амплитудные детекторы. В радиотехнических устройствах ам­плитудные детекторы используют для детектирования амплитудно-модулированных сигналов, а также для преобразования немодулированных радиоколебаний в постоянное напряжение. Первая задача типична для детекторов, применяемых в радиоприемниках, вторая — в электронных вольтметрах переменного напряжения.

Чаще всего встречаются диодные амплитудные детекторы (рис. 17.22, а). Когда на вход детектора подается переменное высокочастотное напряжение, во время положительных полуперио­дов через диод протекают импульсы тока, которые заряжают кон­денсатор С до напряжения U₀, близкого к амплитуде переменного напряжения U. При изменении последней меняется выходное на­пряжение U₀.

Анализ детектора будем производить, предполагая, что на его вход подается достаточно большое переменное немодулированное напряжение, при котором вольт-амперную характеристику диода с достаточной точностью можно аппроксимировать ломаной прямой (рис. 17.22,б):

где G_d = S — дифференциальная проводимость диода.

К диоду приложено напряжение . Рассмат­риваемая ситуация исследована в § 12.5. С учетом (12.23) и (12.25) амплитуда п-й гармоники тока диода

где по аналогии с (12.22) определяют угол отсечки θ:

Отношение выходного напряжения U₀ к амплитуде входного U_m называют коэффициентом передачи детектора

Как видно из (17.38), K_д зависит только от угла отсечки θ. Очевидно, детекторная характеристика линейная, если угол θ не зависит от амплитуды U_m.

Найдем зависимость угла отсечки θ от параметров схемы детек­тора. Для этого заметим, что

где I₀—постоянная составляющая тока диода.

С учетом (17.37)—(17.39) получаем уравнение . Подставив в данное уравнение выражение коэф­фициента α₀(θ) (12.26), получим . Отсюда следует уравнение

которое показывает, что угол отсечки θ зависит от произведения проводимости открытого диода G_d и сопротивления R и не зависит от напряжения U_т. График зависимости K_д от произведения RG_d показан на рис. 17.23, из которого видно, что K_д → 1,если RG_d увеличивается.

Входное сопротивление детектора

где I_m1—амплитуда первой гармоники тока диода.

Умножив числитель и знаменатель на U₀ и принимая во вни­мание, что U₀ = I₀R, получим

При малых углах отсечки K_д → 1,а , поэтому предельное значение входного сопротивления

Полученные значения K_д и R_вх справедливы и при детектиро­вании модулированных сигналов, если детектор не слишком инерт­ный, т. е. выходное напряжение «успева­ет» следить за изменениями амплитуды входного сигнала (рис. 17.24,а). Если постоянная времени RC-цепи детектора большая (соизмерима с длительностью пе­риода огибающей модулированного сиг­нала), то уменьшается коэффициент пере­дачи детектора и появляются нелинейные искажения (рис. 17.24, б). Искажений не будет, если емкость С выбрана такой, что . Однако неограниченно умень­шать С нельзя. Для того чтобы выходное колебание детектора не содержало составляющей с частотой несущей, должно быть вы­полнено неравенство RC >> 1/ω. Здесь ω — частота несущего ко­лебания; Ω_max—максимальная частота огибающей.

Нелинейные искажения при детектировании сигнала могут воз­никнуть и из-за других причин. Одна из них—нелинейность вольт-амперной характеристики открытого диода. Эта причина наиболее заметна при малых амплитудах входного сигнала. Другая причина возникновения нелинейных искажений—различие сопротивлений нагрузки детектора для переменного и постоянного токов. Так бывает, когда детектор через разделительную емкость С1 нагру­жается сопротивлением R_н (рис: 17.25, а). В такой схеме нагрузка постоянному току —R, а переменному — R || R_н. Такие искажения будут незначительными, если .

Рассмотренный детектор называют последовательным. В нем постоянная составляющая тока течет последовательно через диод, нагрузку и источник сигнала. Последовательный детектор нельзя подключать к источнику, не пропускающему постоянной состав­ляющей, и через разделительный конденсатор.

Известна схема параллельного детектора (рис. 17.25, б), в кото­рой постоянная составляющая тока через источник не течет. Коэф­фициент передачи этого детектора такой же, как последователь­ного, а входное сопротивление из-за подключаемого параллельно источнику сопротивления R меньше:

Недостатки параллельного детектора — меньшее входное сопро­тивление и попадание в нагрузку модулированного высокочастот­ного сигнала. Для исключения попадания высокочастотного сиг­нала в нагрузку применяют модифицированную схему детектора, показанную на рис. 17.25, в.

Диодные детекторы при слабых сигналах вносят значительные нелинейные искажения. Поэтому слабые сигналы детектируют с помощью детекторов, построенных на основе операционного усилителя (рис. 17.26, а).

Во время положительных полупериодов входного напряжения выходное напряжение усилителя u_вых отрицательное, поэтому диод VD1 открыт, a VD2 закрыт. Выход усилителя через малое сопротивление открытого диода VD1 оказывается подключенным к входу усилителя, поэтому создается очень глубокая отрицательная ОС, из-за чего напряжение u_вых будет равно малому вход­ному напряжению: u_вых ≈ u_вх. Напряжение u₂ при этом оказы­вается близким к нулю. Во время отрицательных полупериодов выходное напряжение u_вых положительно, диод VD2 закрыт, а диод VD1 открыт. При этом

и изменяется по закону изменения u₁ (рис. 17.26,6). Очевидно, и₂ содержит низкочастотную составляющую, по форме совпадающую с огибающей модулированного сигна­ла, и высокочастотные составляющие с частотами, кратными частоте несу­щей. Для выделения низкочастотной составляющей в этой схеме детек­тора нужно использовать фильтр ниж­них частот.

Синхронные детекторы. Схема синхронного детектора показана на рис. 17.27. На перемножитель подаются сигнал с модулирован­ной амплитудой и опорное колебание u_г(t), синхронное с несущей составляющей сигнала u₁(t):

После перемножителя получаемое колебание

состоит из низкочастотной составляющей

по форме совпадающей с огибающей сигнала U₁(t), и высоко­частотной составляющей с удвоенной частотой несущей. Очевидно, высокочастотная составляющая подавляется фильтром нижних частот и на выходе детектора получается напряжение

Коэффициент передачи такого детектора

зависит от амплитуды U_гm и разности фаз φ − φ₀. Он максималь­ный при φ = φ₀ и равен нулю при φ = φ₀ ±π/2.

Зависимость коэффициента передачи K_д от разности фаз является следствием фазовой избирательности синхронного детектора. Такой детектор ослабляет сигналы и помехи, фазы которых не совпадают с фазой опорного колебания, и полностью подавляет составляющие сигнала и помехи, сдвинутые по фазе относительно опорного колебания на π/2. Фазовая избирательность синхронного детектора позволяет также разделить два сигнала, несущие которых имеют одинаковые частоты, а их фазы различаются на π/2.

Синхронный детектор используют для детектирования не только АМ-сигналов, но и АМ-сигналов с подавленной несущей, а также сигналов AM ОБП, детектирование которых с помощью обычного амплитудного детектора невозможно из-за очень больших нелиней­ных искажений. Синхронный детектор ввиду его фазовой избира­тельности с успехом выполняет и функцию фазового детектора, поэтому может быть применен для детектирования ФМ-сигналов. Детекторная характеристика такого детектора описывается выра­жением (17.45). Как видно, эта характеристика периодическая относительно фазы ф и нелинейна. Однозначное детектирование получается, если 0 < φ − φ₀ ≤ π. Фазо-вые детекторы с линейными детекторными характеристиками создаются на основе импульсных схем.

Наряду с фазовой избирательностью синхронный детектор обладает и частотной. Действительно, если одновременно с сигна­лом u₁(t) на вход детектора подается некоторое мешающее коле­бание , то на выходе перемножителя получится колебание и(t), содержащее кроме составляющих вида (17.43) также составляющие

Обе эти составляющие не проходят через фильтр нижних частот, если только Δω больше частоты среза фильтра.

Как видно из представленного примера, частотной избиратель­ности синхронного детектора достигают за счет преобразования частоты сигнала в перемножителе напряжений и последующей фильтрации фильтром нижних частот. Поэтому применение синх­ронных детекторов позволяет заменить полосовые фильтры фильт­рами нижних частот, что полезно при реализации радиоэлектрон­ных устройств на интегральных схемах.

В качестве перемножителей в синхронных детекторах исполь­зуют микросхемы аналогового перемножителя, а также диодные балансные модуляторы и перемножители на двухзатворном поле­вом транзисторе.

Частотные детекторы. В радиотехнических устройствах час­тотные детекторы выполняют две функции: а) преобразуют ЧМ-сигнал в низкочастотное колебание, изменяющееся по закону изменения частоты; б) преобразуют отклонение частоты от номи­нального значения в напряжение. Первая функция типична для частотных детекторов, применяемых в радиоприемных устройствах, вторая — для детекторов-дискриминаторов, используемых в систе­мах автоматической подстройки частоты.

Простейшие частотные детекторы реализуются путем превраще­ния ЧМ-сигналов в АМ-сигналы. Последние детектируются ампли­тудными детекторами. Для выпрямления детекторной характеристики применяют балансные схемы. Одна из таких схем — детектор с расстроенными резонансными контурами — показана на рис. 17.28, а.

Контуры расстраиваются симметрично Относительно средней частоты сигнала ω₀. На входах диодных детекторов амплитуды напряжений соответственно будут ; , где U_m—амплитуда входного сигнала; K₁(ω) и K₂(ω) — модули передаточных функций резонансных контуров. Выходное напряжение детектора

зависит от частоты сигнала. Эта зависимость—детекторная харак­теристика —показана на рис. 17.28, б.

В устройствах, выполненных по интегральной технологии, находит применение частотный детектора содержащий один резо­нансный контур и аналоговый перемножитель. Схема такого детектора, называемого квадра­турным частотным детектором, приведена на рис. 17.29.

Входные сопротивления пе­ремножителя достаточно велики, поэтому можно считать, что входной ток течет только через емкость С1 и па­раллельный резонансный контур. Напряжение на конденсаторе, как известно, отстает от тока на π/2, поэтому

Напряжение на контуре

где в соответствии с (5.36) и 5.29)

; ω₀— резонансная частота;. Q — добротность контура.

С учетом (17.46) и (17.47) выходное напряжение перемножителя

.

Составляющую с удвоенной частотой не пропускает фильтр нижних частот, поэтому выходное напряжение детектора

(17.49)

пропорционально sinφ. При малых φ, что имеет место при

(17.50)

. В этом случае, учитывая (17.48), получаем

(17.51)

Последнее выражение наглядно показывает, что при выполне­нии условия (17.50) рассматриваемая схема действительно осу­ществляет линейное детектирование ЧМ-сигналов.

Интегральные схемы детекторов, как правило, выпускают в сочетании с другими функциональными узлами, например ампли­тудные детекторы совмеще-ны с усилителями, а частотные детек­торы — с ограничителями.

Литературный источник: [2] страницы 301-308.