3.3.5 Квадратичное детектирование

Рассмотрим отдельно важ­ный для приложений случай детектирования слабых сигна­лов, когда вольт-амперная характеристика должна быть аппроксимирована степенной зависимостью вида

. (3.14)

Ограничимся лишь выписанными здесь членами и пред­положим, что на детектор подано напряжение АМ-сигнала вместе с постоянным смещением :

. (3.15)

Подставив (3.15) в (3.14), обнаружим среди разнообраз­ных комбинационных колебаний, присутствующих в токе, следующую низкочастотную составляющую:

. (3.16)

Благодаря фильтрующему действию нагрузочной RC-цепи выходной сигнал будет определяться именно этим током:

. (3.17)

Полезный эффект детектирования пропорционален здесь величине , поэтому детектирование АМ-сигналов с ма­лыми амплитудами являетсяквадратичным.Наличие в (3.17) слагаемого, пропорционального,говорит о том, что квадратичное детектирование сопровождается искажениями передаваемого сообщения. Введя коэффициент нелинейных искажений,равный отношению амплитуд выходных коле­баний с частотамии, находим из (3.17), что. Нелинейные искажения оказываются весьма значительными при глубокой амплитудной модуляции на входе. Поэтому в радиоприемных устройствах желательно, чтобы амплитуда несущего колебания АМ-сигнала, подаваемого на детектор, составляла несколько вольт. При этом реализуется режим линейного детектирования и нелинейных искажений не возни­кает.

Диодный детектор АМ-сигналов.Широко используется диодный детектор, особенно пригодный для работы с сигна­лами большого уровня. Такой детектор образован последова­тельным соединением диода и параллельнойRC-цепи, кото­рая выполняет роль частотного фильтра(рис.3.19). ПараметрыRC-цепи выбирают согласно условиям (3.11).

Рис.3.19. Схема последовательного диодного детектора: Е₀– начальное смещение ВАХ диода (рабочей точки);Rн и Сф – нагрузочная цепь (фильтр)

Форма выходного напряжения определяется процессами разрядки и зарядки емкости Сф.

Будем считать, что диод имеет кусочно-линейную ВАХ с нулевым напряжением начала:

.

Для нормальной работы детектора необходимо, чтобы сопротивление резистора нагрузки Rф значительно превышало сопротивление диода в прямом направлении, т. е. чтобы . Пусть на. вход детектора подан немодулированный гармонический сигнал. Конденсатор заря­жается через открытый диод гораздо быстрее, чем разряжа­ется через высокоомный резистор нагрузки. Поэтому осцилло­грамма выходного сигнала представляет собой пилообразную кривую с малой относительной высотой зубцов. Средний уровень выходного напряжения близок к амплитуде входного сигнала. Таким образом, диод большую часть периода оказывается запертым.

Пренебрежем указанным непостоянством выходного сиг­нала и будем считать, что — постоянная величина. Заметим далее, что напряжениеприложено к диоду в обратном направлении и служит напряжением смещенияКоэффициент детектирования данного устройства

может быть сделан близким к единице, поскольку , а значит, угол отсечки тока достаточно мал.

Угол отсечки находят из соотношения

,

откуда следует трансцендентное уравнение

или

. (3.18)

При корень этого уравнения близок к нулю, так что из (3.18) вытекает формула для расчета коэффициента детектирования:

. (3.19)

Взаимодействие сигнала и помехи в амплитудном детекторе. Предположим, что на входе идеального линейного детектора АМ-сигнала с известным коэффициентом детектирования присутствует сумма полезного однотонального АМ-колебания и немодулированного колебания помехи:

,

частоты ив общем случае различны.

Выходной сигнал детектора пропорционален физической огибающей колебания . Чтобы вычислить этот сигнал, воспользуемся понятием сопряженного сигнала(см. гл. 5), который, очевидно, записывается так:

,

откуда

. (13.20)

Рассмотрим случай, когда полезный сигнал значительно слабее помехи, т. е. . Будем интересоваться по­лезной составляющей выходного колебания, которая изменя­ется во времени пропорционально передаваемому сообщению. Разлагая радикал, входящий в (3.20), в ряд по сте­пеням малого параметра,убеждаемся, что данная спектральная составляющая создает на выходе колебание

. (3.21)

Видно, что с ростом амплитуды помехи происходит по­давление полезного сигнала. Это явление уже обсуждалось ранее в настоящей главе.

Вредное действие помехи проявляется также в том, что на выходе детектора может возникнуть большое число комбинационных колебаний из-за нелинейного взаимодействия сигнала и помехи.

Вопросы для самопроверки

1. Чему равна частота гетеродина в синхронном детекторе.

2. Зачем нужна ФАПЧ в синхронном детекторе.

3. Зачем нужен фильтр нижних частот на выходе синхронного детектора.

4. Нарисуйте схему амплитудного детектора на диоде.

5. Какой сигнал является “сильным” или “слабым”

6. Что называется квадратичным детектированием.

7. Как проявляется вредное действие помехи.