Эл и схем / scientific_of_amplitude_detector

В общем случае нелинейный четырехполюсник характеризуется семействами колебательных характеристик и характеристик выпрямления

(рис. 5, 6).

Полные дифференциалы токов вблизи выбранных значений Uвх и Uв :

Эти уравнения описывают процесс детектирования и позволяют представить эквивалентный четырехполюсник в виде, показанном на рис. 7.

11

Диодный детектор в режиме сильных сигналов

Диодный детектор, в котором диод и нагрузка включены последовательно, называют последовательным детектором. В случае параллельного включения диода и нагрузки, детектор называют параллельным.

Принципиальная схема последовательного амплитудного детектора на диоде изображена на рис. 8.

Рис. 8. Диодный детектор AM сигналов последовательного вида

В режиме детектирования сильных сигналов характеристику диода аппроксимируют линейно-ломаной линией (рис. 10). Через диод протекают импульсы тока косинусоидальной формы. Постоянная составляющая тока диода вызывает выпрямленное напряжение на нагрузке, которое образует постоянное смещение на диоде.

Пусть на вход амплитудного детектора подается гармонический сигнал

u U0cos(ω0t).

Это напряжение через конденсатор СН оказывается приложенным к диоду. Кроме того, к диоду приложено постоянное напряжение с нагрузки детектора

UВ UВЫХ ,

образуемое при детектировании входного напряжения. Таким образом, в соответствии с рис. 8 и 9, напряжение на диоде оказывается равным

UД U0 cos(ω0t) UВ.

13

U0

t

Рис. 9. Ток через диод в режиме детектирования сильных сигналов

В соответствии с рис. 9

UВ U0cosθ,

и коэффициент передачи детектора для немодулированного сигнала

KД UВ /U0 cosθ.

В соответствии с общей теорией детектирования можно получить уравнения для постоянной составляющей тока диода и для амплитуды составляющей тока с частотой несущей. Ток, протекающий через диод, имеет вид периодической последовательности однополярных импульсов.

Разлагая эту последовательность в ряд Фурье и выделяя из нее постоянную составляющую и составляющую основной гармоники несущей частоты, имеем

14

зашунтированным сопротивлением (Ri)ОБР. Поэтому при RH → ∞ коэффициент передачи детектора асимптотически стремится к величине

KД 3 3πS(Ri )ОБР

и остается меньшим единицы при любых значениях RH.

Увеличение коэффициента передачи с ростом величины RH можно пояснить и следующим образом. На интервале времени, когда через диод протекает ток в прямом направлении, происходит заряд конденсатора СH. Как только входное напряжение оказывается меньше напряжения, до которого зарядился конденсатор СН, он разряжается через сопротивление нагрузки RH и обратное сопротивление диода. Напряжение на конденсаторе можно представить в виде суммы постоянной составляющей и напряжения пульсации, обусловленной зарядом и разрядом этой емкости. При увеличен сопротивления RH возрастает постоянная составляющая этого напряжения и уменьшается размах напряжения пульсаций, что приводит к увеличению коэффициента передачи АД. В пределе для идеального диода при RH → ∞ величина постоянной составляющей выходного напряжения стремится к амплитуде входного сигнала, а коэффициент передачи детектора − к единице.

Для оценки входного сопротивления АД необходимо выделить из тока, протекающего через диод, составляющую Iω0 на частоте ω0, При идеальном диоде

Iω0 SU0 (θ sin θcosθ) / π.

Тогда при малых углах отсечки θ входное сопротивление АД составит

RВХ UC / Iω0 RН / 2.

Полученное выражение используют на практике для оценки входного сопротивления амплитудных детекторов на вакуумных или на полупроводниковых диодах, если обратное сопротивление диода много больше сопротивления нагрузки (Ri)ОБР >> RН.

При рассмотрении влияния (Ri)ОБР на RВХ следует оценить амплитуду тока первой гармоники, учитывая величину и разнополярность импульсов прямого и обратного тока, протекающего через диод. При этом можно показать, что при малых углах отсечки θ величина входного сопротивления

RВХ RН /(2 3SОБР RН ).

16

Нелинейные искажения при детектировании амплитудно-модулированных колебаний

Пусть на входе амплитудного детектора действует испытательный сигнал в виде колебания с гармонической амплитудной модуляцией

uВХ (t) U0 (1 mcos( t θ))cosω0t.

Диаграммы напряжения и тока диода при детектировании АМ колебания показаны на рис. 11.

Рис. 11. Детектирование амплитудно-модулированных колебаний

Теоретически коэффициент передачи диодного амплитудного детектора в режиме детектирования сильного сигнала не зависит от амплитуды сигнала Кд = соsθ, продетектированное напряжение пропорционально огибающей входного сигнала Ед = КдUвх и детектирование происходит без искажений. Однако в реальных схемах детекторов возникают нелинейные искажения, причинами которых являются:

нелинейность характеристики детектирования;

инерционность (большая постоянная времени) нагрузки;

малое входное сопротивление следующего каскада;

соизмеримость частоты модуляции и частоты несущего колебания.

18

Искажения из-за нелинейности характеристики детектирования

Характеристика детектирования реальных амплитудных детекторов (рис. 12) отличается от линейной. Начальный участок этой характеристики нелинеен и имеет напряжение Uнел, равное у германиевых полупроводниковых диодов примерно 0,1 В.

Рис. 12. Детекторная характеристика в случае реального диода

Если минимальное напряжение на входе детектора меньше Uнел, то коэффициент передачи амплитудного детектора зависит от амплитуды входного сигнала и форма продетектированного напряжения отличается от формы огибающей входного напряжения, т.е. возникают нелинейные искажения. Искажения из-за нелинейности характеристики детектирования малы, если минимальная амплитуда входного напряжения превышает значение Uнел:

Uвх min = U0 (1 – m) ≥ Uнел

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы амплитуда несущего колебания на входе амплитудного детектора удовлетворяла неравенству

U0 ≥ Uнел /(1 – m).

19

Искажения из-за большой постоянной времени нагрузки.

Воспользуемся диаграммами входного и продетектированного напряжений (рис. 13, а).

Рис. 13. Искажения сигнала вследствие инерционности нагрузки

При положительной полуволне входного напряжения диод открывается и происходит заряд конденсатора Сн до того момента, когда напряжение на диоде станет равным нулю. Начиная с этого момента диод закрывается, и конденсатор Сн разряжается через резистор Rн. В результате серии зарядов и разрядов создается напряжение Ед. Если постоянная времени цепи нагрузки T = RНСН большая, то конденсатор Сн практически не успевает разряжаться за время между соседними полупериодами входного напряжения. В этом случае напряжение Ед на конденсаторе Сн в интервале времени t1 - t2 убывает медленнее, чем амплитуда входного напряжения; напряжение на выходе амплитудного детектора в этом интервале времени не успевает следить за изменением огибающей входного сигнала. Другими словами, при большой постоянной времени цепи нагрузки Т амплитудный детектор становится инерционным относительно изменения огибающей входного напряжения. При этом искажается форма напряжения Ед и возникают нелинейные искажения.

На рис. 13, б показаны диаграммы напряжения на выходе амплитудного детектора при отсутствии искажений (штриховая кривая) и при искажениях формы напряжения Ед из-за инерционности нагрузки

20