Эл и схем / scientific_of_amplitude_detector

(сплошная кривая); искажения проявляются в том, что в интервале времени t1 - t2 напряжение на выходе АД изменяется не по синусоидальному закону,

а по экспоненциальному.

Условие отсутствия искажений получается из требования: скорость изменения огибающей входного сигнала должна быть меньше скорости разряда емкости нагрузки детектора через сопротивление нагрузки. Из этого требования нетрудно получить, что для отсутствия искажений из-за инерционности нагрузки должно выполняться неравенство

н н < 1−Ω 2.

Постоянная времени нагрузки амплитудного детектора должна быть тем меньше, чем больше высшая модулирующая частота Ω и коэффициент модуляции m. Физически это объясняется тем, что при малой частоте Ω амплитуда входного сигнала меняется медленно, конденсатор Сн успевает разряжаться и напряжение на нем следит за изменением огибающей; при малых значениях коэффициента модуляции m амплитуда входного сигнала изменяется в меньших пределах, скорость изменения огибающей уменьшается и конденсатор Сн также успевает разряжаться.

Для увеличения коэффициента передачи и улучшения линейности детекторной характеристики следует выбирать по возможности большее сопротивление нагрузки, однако с увеличением Rн необходимо уменьшать емкость нагрузки, чтобы не возникли нелинейные искажения из-за инерционности детектора. При этом следует помнить, что емкость нагрузки не должна быть соизмеримой с емкостью диода, так как при этом коэффициент передачи детектора уменьшается вследствие уменьшения доли высокочастотного напряжения на диоде (часть напряжения падает на емкости нагрузки).

Искажения вследствие малого входного сопротивления следующего каскада

Искажения возникают из-за влияния разделительной цепи между нагрузкой детектора и входом первого каскада усиления низких частот. Схема амплитудного детектора с разделительной емкостью Ср показана на рис. 14. Разделительная емкость устанавливается с целью развязки по постоянной составляющей цепи нагрузки детектора и входа усилителя

21

низких частот. При отключенной разделительной цепи напряжение Ед на резисторе Rн изменяется в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 15, а и содержит две составляющие: постоянную Ед0 и низкочастотную с амплитудой U Ω. В приемниках АМ сигналов используется низкочастотная составляющая продетектированного напряжения, которая пропускается на вход последующего каскада по цепи Ср , Rвх.

Рис. 14. Схема детектора с разделительной емкостью

Разделительный конденсатор должен иметь достаточно большую емкость, чтобы не возникало «завала» нижних частот продетектированного колебания. Заряд емкости Ср происходит через малое сопротивление открытого диода VD и входное сопротивление УНЧ. Разряд разделительной емкости происходит по последовательной цепи Rн , Rвх . Поскольку постоянная времени разряда T = (Rвх + Rн ) Ср достаточно большая и обычно во много раз превышает период модулирующего колебания, на конденсаторе Ср выделится постоянная составляющая напряжения Ед0 , а на сопротивлении Rвх — низкочастотная составляющая U Ω.

Рис. 15. Выходные напряжения детектора: а – в отсутствие разделительной цепи, б – при наличии разделительной цепи

22

Напряжение, до которого зарядится конденсатор Ср, Ед0 = Uн cos θ, где соs θ - коэффициент передачи АД; Uн – амплитуда несущего напряжения на входе АД. При уменьшении амплитуды напряжения Uвх (t) в процессе модуляции до малого значения конденсатор Ср становится источником постоянного тока. Этот ток проходя по цепи Rн , Rвх создает на сопротивлении нагрузки падение напряжения Есм = Ед0 Rн /(Rвх + Rн ), минус которого через индуктивность контура приложен к аноду диода. В результате образуется напряжение смещения, запирающее диод на то время, когда амплитуда входного сигнала вследствие модуляции падает до уровня более низкого, чем напряжение смещения. Изменение амплитуды сигнала на входе детектора перестает влиять на уровень напряжения на нагрузке, которое на этом отрезке времени сохраняется равным Есм .Возникают искажения, имеющие характер среза. Они проявляются на всех частотах при достаточно большой глубине модуляции и заметны на слух.

Условием отсутствия искажений является выполнение неравенства Uвх min ≥ Есм . После очевидных преобразований оно приводится к виду

Rвх ≥ mRн /(1 - m).

Как отмечалось ранее, уменьшать сопротивление нагрузки ниже определенного значения нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению коэффициента передачи и ухудшению линейности детекторной характеристики. Поэтому при низких значениях входного сопротивления УНЧ переходят к схеме детектора с разделенной нагрузкой

(рис. 16).

Рис. 16. Детектор с разделенной нагрузкой

Сопротивление нагрузки разделено на две части: Rн = Rн1 + Rн2. Ток разряда разделительного конденсатора протекает через часть

23

сопротивления нагрузки Rн2 . При выполнении неравенства Rн2 << Rн1 + Rн2 напряжение смещения на диоде существенно уменьшается, и нелинейные искажения устраняются. Использование двух фильтрующих емкостей улучшает фильтрацию высокочастотного напряжения и уменьшает коэффициент пульсаций при детектировании.

Недостатком рассмотренной схемы является уменьшение коэффициента передачи детектора, вызванное тем, что выходное напряжение снимается не со всей нагрузки, а с ее части.

Искажения из-за соизмеримости частоты модуляции и частоты несущего колебания.

Если частота несущей намного выше частоты модуляции, то при правильно выбранной постоянной времени нагрузки детектора его выходное напряжение повторяет огибающую входного сигнала. Нагрузка детектора, представляющая собой фильтр нижних частот, эффективно разделяет напряжения несущей частоты и частоты модуляции. Однако при соизмеримости частот модуляции и несущего колебания (fн ≈ 2 … 3)F выходное напряжение детектора практически перестает следить за изменением амплитуды входного сигнала. По этой причине частоту несущего колебания на входе амплитудного детектора выбирают как минимум на порядок выше максимальной частоты модулирующего колебания.

Практически такого же эффекта, как и удвоением частоты несущей, можно добиться применением двухтактного детектора (рис. 17).

Рис. 17. Схема двухтактного детектора

Двухтактный детектор представляет собой два амплитудных детектора, работающих на общую нагрузку. При полярности очередного

24

полупериода входного колебания, показанной на рисунке, ток протекает через диод VD1. При смене полярности (через половину периода), ток протекает через диод VD2. Таким образом, диоды в этом детекторе работают поочередно. Конденсатор нагрузки заряжается то через один диод для одного полупериода, то через другой – для другого полупериода. Результат использования как положительных, так и отрицательных полупериодов входного сигнала равносилен удвоению частоты несущей.

Разновидности амплитудных детекторов

Параллельный диодный детектор

Схема параллельного диодного амплитудного детектора показана на рис. 18. Резистор нагрузки Rн в отличие от схемы последовательного детектора включен параллельно диоду. Принципы работы параллельного и последовательного амплитудного детектора совпадают. Постоянная составляющая тока диода, протекая через резистор Rн создает на нем продетектированное напряжение. Расчет угла отсечки и коэффициента передачи детектора производится по тем же формулам, что и для последовательного диодного детектора.

Рис. 18. Параллельный диодный детектор

В связи с тем, что входной контур в схеме параллельного детектора шунтируется не только сопротивлением диода, но и сопротивлением нагрузки, включенным параллельно диоду, входное сопротивление детектора уменьшается до величины Rн /3. Таким образом, параллельный детектор шунтирует колебательный контур сильнее, чем последовательный.

Другим отличием является то, что на выходе параллельного детектора присутствует переменное напряжение частоты входного сигнала. Поэтому после детектора необходимо устанавливать фильтр низких частот.

25

Альтернативой является изменение схемы детектора таким образом, чтобы продетектированное напряжение снималось с емкости нагрузки.

Параллельный амплитудный детектор используют в тех случаях, когда входное напряжение кроме детектируемого высокочастотного сигнала содержит постоянную составляющую, связанную, например, со схемой питания предыдущего каскада. Вариант подключения детектора в этом случае показан на рис. 19. Детектор подключен к контуру последнего каскада УПЧ, на котором имеется напряжение питания коллектора транзистора. Продетектированное напряжение снимается с емкости нагрузки детектора.

Рис. 19. Включение в схему приемника параллельного диодного детектора

Постоянное напряжение не действует на диоде VD (постоянные потенциалы анода и катода диода практически одинаковы) благодаря использованию параллельной схемы детектирования и включению в схему разделительной емкости Cр. Эти емкости при включении питания заряжаются до напряжения на коллекторе транзистора.

Транзисторные амплитудные детекторы

Транзисторные амплитудные детекторы подразделяют на коллекторные, базовые, эмиттерные (стоковые, затворные, истоковые), в зависимости от того, нелинейность характеристики какого тока транзистора используется для детектирования. Для биполярных транзисторов чаще всего используется включение по схеме с общим эмиттером, что позволяет получать помимо детектирования и наибольшее усиление сигнала. Поэтому на практике обычно применяют коллекторный детектор, в котором

26

детектирование происходит из-за нелинейности проходной характеристики транзистора.

Схема коллекторного детектора приведена на рис. 20. Делитель R1 R2 задает смещение на базе транзистора, конденсатор СбЛ — блокировочный, цепочка RнСн — нагрузка детектора.

Рис. 20. Схема коллекторного детектора

Работу коллекторного детектора можно пояснить с помощью диаграмм, приведенных на рис. 21.

Рис. 21. Диаграммы к схеме коллекторного детектора

27

Штриховой линией на верхнем левом рисунке показана реальная характеристика зависимости коллекторного тока транзистора от напряжения между базой и эмиттером. Для режима сильного сигнала используется линейно-ломаная аппроксимация. Рабочая точка, которая обеспечивается подачей начального смещения Есм, выбирается на наиболее криволинейном участке характеристики коллекторного тока. В случае линейно-ломаной аппроксимации при косинусоидальном воздействии (нижний рисунок) импульсы коллекторного тока – также косинусоидальные (верхний правый рисунок), постоянная составляющая коллекторного тока Iко = Iкmax α0 (θ), где α0 — коэффициент Берга (для косинусоидального импульса при θ = 90° коэффициент Берга α0 (90°) = 1/π). Следовательно, выпрямленная составляющая тока детектора Iко = Iкmax /π.

Коэффициент передачи коллекторного детектора

Кд = Sк Rн /π.

Одно из основных преимуществ коллекторного детектора по сравнению с диодным состоит в том, что Кд может быть больше единицы. Коэффициент передачи детектора Кд в π раз меньше, чем коэффициент усиления усилителя на том же транзисторе и с той же нагрузкой.

Одновременно с основным происходит побочное детектирование в цепи базы (за счет нелинейности характеристики базового тока). Вследствие базового детектирования на резисторе R2 создается напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения смещения. Изменение положения рабочей точки приведет к уменьшению коэффициента передачи коллекторного детектора. Этот эффект можно ослабить, уменьшая сопротивления резисторов R1 и R2 .В случае амплитудной модуляции входного сигнала на резисторе R2 выделится напряжение частоты модуляции, которое будет уменьшать приращение коллекторного тока, вызываемое модуляцией входного сигнала. Этот эффект можно ослабить путем увеличения постоянной времени цепи базы (увеличивая СбЛ) до значений, превышающих период модуляции сигнала.

Базовое детектирование может быть использовано и как полезный эффект. При коллекторном детектировании оно улучшает линейность детекторной характеристики и способствует уменьшению нелинейных

28

искажений. Кроме того, базовое детектирование может быть выбрано как основное путем соответствующего подбора элементов схемы.

Детектор с удвоением выходного напряжения

Детекторы с удвоением выходного напряжения (рис. 22) используются для повышения коэффициента передачи. При положительном полупериоде входного сигнала диод VD2 закрыт и конденсатор СН1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитуды входного напряжения Uвх. В следующий (отрицательный) полупериод входного напряжения диод VD1 закрывается, диод VD2 открывается и конденсатор СН2 заряжается через СН1 и VD2 до напряжения, определяемого суммой амплитуды входного сигнала и напряжения на емкости СН1, т.е. до удвоенного амплитудного напряжения 2Uвх. Таким образом, коэффициент передачи удваивается.

Рис. 22. Детектор с удвоением выходного напряжения

Входное сопротивление детектора, собранного по схеме рис. 22, в 2 раза ниже, чем в обычном детекторе.

Детектор на операционном усилителе

Детекторы на операционных усилителях обладают рядом достоинств:

расширяется динамический диапазон за счет уменьшения минимального допустимого уровня входного сигнала;

обеспечивается возможность работы на последующий каскад с малым входным сопротивлением;

появляется возможность реализации детектора в интегральном исполнении, так как детектор не требует катушки индуктивности.

29

Вариант схемы детектора на операционном усилителе представлен на рис. 23.

Рис. 23. Детектор на операционном усилителе

В детекторе использован операционный усилитель с отрицательной обратной связью и коэффициентом усиления K >> 1. Часть продетектированного напряжения подается на инвертирующий вход усилителя. Благодаря усилению сигнала, напряжение на диоде, равное выходному напряжению усилителя, значительно превышает уровень входного сигнала.

Расширение динамического диапазона объясняется следующими причинами. Максимальный уровень продетектированного сигнала не должен превышать значения, при котором перегружаются последетекторные каскады. Минимальный уровень определяется необходимостью иметь на диоде амплитуду сигнала, обеспечивающую малый уровень нелинейных искажений. Динамический диапазон устройства определяется отношением максимального продетектированного напряжения к минимальному. Для его расширения при фиксированном значении Uвых max необходимо уменьшать напряжение Uвых min,. В детекторе на операционном усилителе Uвых min уменьшается примерно в К раз, что соответствует расширению динамического диапазона на 20 lg К дБ.

Существуют двухтактные детекторы на операционных усилителях, принцип работы которых аналогичен детектору, представленному на рис. 18.

В составе многих аналоговых серий выпускаются специализированные интегральные микросхемы детекторов, а также интегральные микросхемы, в которых детекторы входят как составной элемент.

30