Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

РАЗДЕЛ 6. ДЕТЕКТОРЫ ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ

ЛЕКЦИЯ №20. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТЕКТОРАХ. ВНУТРЕННИЕ И ВНЕШНИЕ ПАРАМЕТРЫ АМ ДЕТЕКТОРОВ

6.1 Историческая справка

Детектором (Д) называется устройство, преобразующее модулированное колебание высокой частоты (радиочастоты для РПУ прямого усиления и синхродина и промежуточной частоты для супергетеродина и инфрадина) в напряжение или ток, изменяющиеся по закону модуляции радиосигнала.

Термин “детектор” происходит от латинского detector — открыватель, detego — открываю, обнаруживаю.

Итогом работ Оливера Лоджа в 1889 г. стало создание детектора на основе миниатюрного искрового промежутка, который был уменьшен до минимума, за которым следовало их соприкосновение. Лодж обнаружил, что при действии на такой детектор электрического разряда сопротивление разрядника резко уменьшается, электроды как бы сцепляются. Цепь оставалась замкнутой и по прекращении действия волн. Для разрыва контакта и приведения приемника в состояние готовности к приему следующего сигнала требовалось периодическое легкое встряхивание.

При присоединении параллельно искровому промежутку чувствительного гальванометра в цепи до встряхивания детектора отмечался небольшой ток, вызванный контактным электричеством. Отклонение стрелки гальванометра облегчало наблюдение приема сигналов, но эффект был слабым и неустойчивым.

При подключении к детектору батареи и электрического звонка в цепи протекал достаточно большой ток и прием сигнала четко отмечался не только гальванометром, но и звонком. Слабый сигнал в этом случае управлял значительно более сильным током от батареи, т. е. достигалось усиление сигнала, ставшее в разных вариантах в дальнейшем одной из основ в устройствах радиосвязи.

Используя греческий эквивалент слова "сцепление", Лодж назвал свой приемник со "сцепляющимися" электродами искрового промежутка "когерером". Лодж предложил и другую конструкцию когерера, более чувствительную и более простую в регулировке. В этом варианте металлическое острие касалось окисленной поверхности алюминиевой пластинки. Сходную конструкцию имели впоследствии кристаллические детекторы, основанные на ином принципе и получившие распространение в устройствах радиосвязи с начала 1900-х годов.

Другой детектор был предложен для радиоприемника в 1890 г. во Франции Эдуардом Бранли и назван им "радиокондуктором", положив начало применению термина "радио". Единичный контакт был в приемнике Бранли заменен множеством контактов между частицами металлического порошка или опилок, что сделало детектор более устойчивым и надежным, но это достигалось за счет понижения чувствительности. Для периодического

210

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

встряхивания порошка по-прежнему служил электрический звонок, включаемый от часового механизма.

Рис. 6.1 - Приемник Лоджа с "радиокондуктором"

Параллельно активно развивалось альтернативное направление в создании принципиально отличающихся кристаллических детекторов.

В 1874 г. немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил у кристаллов сульфида свинца униполярную проводимость, что привело к созданию кристаллических детекторов. Создались условия для применения выпрямляющих свойств контакта металл – полупроводник.

Первый такой детектор был сконструирован в 1906 г. Пикаром. Он состоял из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием ("усиком"). Приблизительно в это же время американский военный инженер Данвуди разработал детектор, в котором использовался кристалл карборунда (карбида кремния), зажатый между двумя латунными держателями. Приемник с такими детекторами сначала настраивался на передающую станцию и затем поверхность кристалла детектора "зондировалась" острием ("усиком") контактной спиральной пружины до установления "чувствительной точки". Контактная спиральная пружина изготавливалась из тонкой проволоки твердого металла (например, из сурьмы). При наличии хорошей наружной антенны расстояние, на котором приём вещательной станции был удовлетворительным, составляло от 10 до 80 км.

Попов А.С. использовал детектор-выпрямитель в своём приемнике с телефонами (конструкция 1899 г). Хотя конструкция детектора была очень похожа на когерер Бранли (стеклянная трубка с платиновыми выводами, заполненная мелкими стальными зернами), он не требовал встряхивания, а несимметричная проводимость получалась из-за слоя окисла на стальном образце.

Осенью 1904 года профессор Джон Флеминг, научный консультант Маркони, изобрел ламповый детектор, на основе электровакуумной лампы,

211

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

использующей отрицательно заряженную нагретую спираль или нагреватель для освобождения электронов с поверхности катода на пути к положительно заряженной поверхности анода. Созданные вакуумные ламповые диоды были гораздо более надежными. Термин “диод” получен как производная от “ди” – два и “электрод”, т.е. двухэлектродный прибор.

Свойства кристаллических детекторов подробно исследовались Пирсом, Икклзом, У.Ториката и др. в 1907-1910 годах. Были перепробованы сотни детектирующих пар, а конструкция детектора в штепсельной вилке с регулируемой пружинкой (Cat whisker) просуществовала без существенных изменений до конца 1940-х годов. Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х г.г. с открытием транзисторного эффекта (Бардин, Браттейн, Шокли, США, 1948) началось широкое использование полупроводниковых приборов (главным образом Ge и Si) в радиоэлектронике.

6.2 Общие сведения о детекторах

Детектирование является обязательным процессом в РПУ, подобно модуляции в передатчике. Так, если модуляция в передатчике применяется для получения модулированных колебаний высокой частоты, то детектирование в РПУ служит для преобразования принятых колебаний высокой частоты в колебания низкой частоты, воспроизводящие исходный сигнал.

Зависимость выходного напряжения или тока детектора от значения модулируемого параметра называется детекторной характеристикой. Важно отметить, что детекторные характеристики по току и по напряжению не имеют различий по форме, поскольку напряжение и ток в нагрузке детектора отличаются только постоянным множителем.

В соответствии с видом модуляции входных сигналов различают амплитудные, частотные и фазовые детекторы. В соответствии с видом дискретных сообщений также в зависимости от вида модуляции применяются времяимпульсные детекторы для демодуляции ЧИМ, ШИМ, ФИМ и т.п. сигналов, а также детекторы цифровых видов модуляции. Отдельную группу составляют синхронные детекторы, часто выполняющие одновременно с детектированием функции избирательных устройств (в синхродине). Однако в любом случае детектор обязательно включает элемент с нелинейной ВАХ или с изменяющимися во времени параметрами.

Эффективность детектора как преобразователя оценивается крутизной детекторной характеристики. Для амплитудного детектора крутизна детекторной характеристики является безразмерной величиной и поэтому иногда называется коэффициентом усиления детектора:

приращение амплитуды входного сигнала, m – глубина АМ модуляции, Umc – амплитуда несущего колебания.

212

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Крутизна детекторной характеристики частотного детектора (ЧД) опреде- ляется отношением

а крутизна детекторной характеристики фазового детектора (ФД)– отношением

где f и Δϕ - приращение частоты и фазы входного сигнала, вызывающих приращение напряжения Uвых . Крутизна детекторной характеристики частотного детектора имеет размерность вольт/герц, а детекторной характеристики фазового детектора - вольт/градус (вольт/радиан).

Эффективность подавления сигналов высокой частоты в детекторе оценивается коэффициентом фильтрации

где Uвх- амплитуда напряжения высокой частоты на входе детектора; Uf -

амплитуда напряжения высокой частоты на выходе детектора.

6.3. Амплитудные детекторы

Амплитудные детекторы (АД) преобразуют амплитудномодулированные колебания высокой либо промежуточной частоты в напряжение или ток, пропорциональные огибающей входного высокочастотного сигнала.

Структурная схема АД представлена на рис. 6.2. АД содержит источник модулированного высокочастотного колебания, полосовой фильтр, блок преобразования модулированного высокочастотного колебания в низкочастотный сигнал, фильтр нижних частот.

Рис. 6.2

Амплитудное детектирование может быть осуществлено с помощью нелинейных элементов, либо линейных, но с периодически меняющимися параметрами. В связи с этим по типу преобразующего элемента различают:

-диодные детекторы,

-транзисторные детекторы,

-ламповые детекторы,

-синхронные детекторы.

213

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

6.3.1 Диодные детекторы АМ

Среди полупроводниковых АД наибольшее распространение имеют детекторы на полупроводниковых диодах, так как они менее склонны к перегрузкам и не требуют источников питания.

По способу включения диода и нагрузки различают последовательную схему (рис. 6.3,а) и параллельную схему (рис. 6.3,б) диодного детектора.

Рис. 6.3

Источником сигнала детектора является выходной контур последнего каскада УПЧ либо УРЧ (для РПУ прямого усиления), индуктивно связанный посредством Lсв. с входной цепью детектора. Полупроводниковый диод VD выполняет роль нелинейного преобразователя, а RнCн-нагрузка - фильтрующей системы.

Входное сопротивление желательно увеличивать во избежание шунтирующего действия АД на колебательный контур LкCк . Для допустимого, например, 25%-го снижения добротности при подключении АД к контуру коэффициент включения

где Rоe - резонансное сопротивление ненагруженного контура, равное ρQk .

В зависимости от уровня входного сигнала возможны два режима работы диодного детектора: квадратичный (режим слабого сигнала) и линейный (режим сильного сигнала).

Физические процессы, происходящие при детектировании рассмотрим на примере последовательной схемы АД.

Во время положительной полуволны входного сигнала конденсатор Сн заряжается практически до амплитудного значения с постоянной времени заряда τзар = R iCн , где R i - внутреннее сопротивление открытого диода. Когда

входное напряжение становится меньше выходного, диод закрывается и

время действия запирающего диод напряжения конденсатор не успевает разрядиться на значительную величину. По этой причине выходное напряжение

214

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

практически повторяет огибающую амплитудно-модулированного входного сигнала.

Рис. 6.4

Односторонняя проводимость диода приводит к изменению спектрального состава сигнала, поэтому отклик фильтруется.

6.3.2 Эквивалентная схема АД

Представим детектор в виде нелинейного четырехполюсника с некоторым набором внутренних параметров (рис. 6.5.)

Yд

Рис. 6.5

В общем случае связь между входными и выходными сигналами нелинейна и записывается выражениями:

Первое соотношение представляет собой уравнение колебательных характеристик, второе – уравнение характеристик выпрямления.

При малых изменениях входного напряжения приращения входного и выходного токов можно принять равными полным дифференциалам в соответствии с выражениями

215

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

При этом частные производные по аналогии с системой уравнений для усилительного четырехполюсника представляют собой внутренние параметры детектора:

Система уравнений, также как и в случае с ПЧ, формальна. Это связано с тем, что первое уравнение определяет приращение тока на частоте несущей полезного сигнала. Второе уравнение – в низкочастотной области.

Графы проводимости и сигнальный детектора представлены на рис. 6.6

Рис. 6.6

Основными параметрами АД являются: 1) входная проводимость детектора

2) выходная проводимость детектора

3) внутренний коэффициент усиления детектора

где R id -внутреннее сопротивление детектора; 4) коэффициент передачи детектора

216

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

5)нелинейные искажения сигнала,

6)коэффициент фильтрации – отношение амплитуды входного напряжения к амплитуде напряжения высокой частоты на выходе:

характеристика представляет собой зависимость приращения постоянной составляющей тока детектора Id = I2 = I2 − IА от амплитуды входного напряжения U1 .

ЛЕКЦИЯ №21. РЕЖИМ СЛАБОГО СИГНАЛА

6.3.3 Внутренние и внешние параметры диодного детектора

Врежиме слабого сигнала рабочая точка (точка А на рис. 6.7) находится на нижнем квадратичном участке вольтамперной характеристики. Амплитуда входного сигнала U1 при этом очень мала и диод работает без отсечки тока.

Вэтом случае ток диода является функцией следующего вида

где U = U2 + U1 sin(ωt) - малая величина, так как U1 → 0 и U2 → 0 . Представляя выражение для тока диода в виде ряда Тейлора, получим:

217

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

где SА – крутизна характеристики диода в рабочей точке.

IД

218

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Из (6.29) следует вывод о квадратичном характере детекторной характеристики в режиме слабого сигнала.

Вольтамперная характеристика диода хорошо аппроксимируется экспоненциально зависимостью

тогда внутренний коэффициент усиления (6.13) с учетом (6.25), (6.26), (6.31), (6.32)

в этом режиме очень мал, так как он прямо пропорционален амплитуде входного сигнала.

Задаваясь значением внутреннего коэффициента усиления, можно оценить уровень входного сигнала Um.гр , который является границей режима

219

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Рис. 6.8

Если выполняется условие SА >> Yн , то R вх = 1/ SА . Таким образом входное сопротивление детектора в режиме слабого сигнала очень мало и фактически определяется внутренним сопротивление открытого диода в рабочей точке А.

Нелинейные искажения низкочастотного сигнала при работе на квадратичном участке обусловлены, как это следует из (6.29) появлением второй гармоники низкочастотного сигнала в соответствии с выражением:

Коэффициент фильтрации высокочастотного напряжения на выходе детектора

Таким образом, коэффициент фильтрации тем больше, чем больше величина емкости нагрузки, частота несущей входного сигнала и внутреннее сопротивление диода. Дело в том, что эквивалентная схема детектора представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ) первого порядка как показано на рис. 6.9. Для схемы параллельного детектора (рисунок 6.3,б) фильтрация высокочастотной составляющей на выходе отсутствует, в связи с чем требуется введение на выходе дополнительного фильтра (рис. 6.10) либо изменение схемы детектора, как показано на рис. 6.11.

220

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Rid

U1 Cн Rн

Рис. 6.9

Рис. 6.10

Рис. 6.11

Очевидные недостатки режима слабого сигнала не позволяют использовать его в современных РПрУ.

ЛЕКЦИЯ №22. РЕЖИМ СИЛЬНОГО СИГНАЛА

6.3.4 Внутренние и внешние параметры диодного детектора

В режиме сильного сигнала амплитуда входного сигнала достаточно велика и диод работает с отсечкой тока (рис. 6.12).

Вольтамперную характеристику диода аппроксимируем отрезком прямой линии:

221

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Напряжение на диоде равно разности входного и выходного напряжений

(рис. 6.13)

Рис. 6.12

Рис. 6.13

Считая входной сигнал гармоническим колебанием Uвх = U1 cos(ω1t) , получим

входного сигнала. Тогда в момент времени t1 произойдет отсечка выходного тока. Значение фазового угла ω1t1 = θ равно значению так называемого угла отсечки. Напряжение на диоде в этот момент времени равно нулю:

Uд = U1 cos θ − U2 = 0 ,

откуда косинус угла отсечки равен

На основании полученных выражений ток диода как функцию времени можно представить в следующем виде:

Запишем (6.41) в виде ряда Фурье:

222

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

i(t) = Io + I1 cos(ω1t) + ... + Ik cos(kω1t) , 2

где