§ 7.2. Амплитудные детекторы

Качественные показатели амплитудного детектора сильно зависят от амплитуды сигнала. Аналитиче-

ские методы расчета наиболее г разработаны для «слабых» и «< ных» сигналов. При этом понятие бого и сильного сигнала относите и зависит от свойств применяе нелинейного элемента.

Среди нелинейных элементов иболее часто используются ди К эквивалентному диодному дет< ру сводится расчет детекторов на гих нелинейных элементах, напр] на транзисторах. Поэтому рассмс ние детекторов начнем с диод амплитудного детектора.

Схема последовательного диод детектора изображена на рис. Здесь и_вх — входное высокочас ное напряжение, снимаемое с кон' усилительного каскада, к котор подключен детектор; Е₀ — начал! напряжение смещения, подбором торого можно выбирать рабочую ку на вольт-амперной характери ке диода; RC — нагрузочная г (фильтр), с которой снимается вы: ное напряжение; и и i — мгновен значения напряжения на диоде и i через диод.

Диод Д и нагрузочная цепь вк чены последовательно, поэтому 5 чение тока i в любой момент врем может быть найдено из системы ур нений

Здесь Zrc — коэффициент пропори нальности между током и напря; нием с учетом их несинусоидальн характера.

Первое уравнение (7.1) представляет собой уравнение вольт-амперной характеристики диода как безынерционного нелинейного элемента. В режиме покоя ц_вх р= 0; ( - /_ /_п, Zrc — R и urc = U— При этом второе уравнение (7.1) превращается в уравнение прямой с угловым коэффициентом — MR. Графическое решение системы уравнений

(7.2)

для режима покоя приведено на рис. 7.2. Оно дает положение исходной рабочей точки (точки покоя на вольт-ампер ной характеристике диода с координатами /,„ (/„).

Переменное напряжение на диоде и^,, появляющееся одновременно с приложением напряжения «_вх в начальный момент времени, суммируется с напряжением U_n (положение / на рис. 7.2). Благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики дио-

да кривая юка через неги не имеет синусоидального характера — ее положительные полуволны вытягиваются, а отрицательные сжимаются. При этом в составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по сопротивлению нагрузки R, создает падение постоянного напряжения, смещающего положение рабочей точки диода влево. Стационарное положение рабочей точки при данной амплитуде входного напряжения ц_вх указано на рис. 7.2 цифрой 2. Полезный эффект детектирования по напряжению |Д£/_| - U_nl —■ £/„, где U_nl-новая абсцисса рабочей точки при наличии напряжения и_вх.

Такое же по значению приращение постоянного напряжения, но противоположного знака снимается с нагрузочного сопротивления и является выходным сигналом детектора. В соответствии с рис. 7.1 и 7.2 увеличение амплитуды входного напряжения вызывает дальнейшее приращение постоянного напряжения на нагрузочном сопротивлении и смещение рабочей точки влево. При этом ток через диод все больше приближается по форме к односторонним импульсам при положительных пиках входного напряжения, открывающих диод. Работа схемы приобретает «ключевой» характер — диод закрыт — диод открыт. В промежутках между пиками входного напряжения, открывающими диод, он поддерживается в закрытом состоянии напряжением на нагрузочной емкости С (urc)- Форма выходного напряжения urc (рис. 7.3) определяется процессами зарядки и разрядки емкости нагрузки С, причем в силу нелинейности цепи (сопротивление дИода для положительных полуволн входного напряжения меньше,'чем для отрицательных) процесс зарядки происходит быстрее, чем процесс разрядки. При этом выходное напряжение сглаживается, постоянная составляющая в его составе увеличивается, а глубина пульсаций уменьшается.

Из рассмотрения схемы детектора (см. рис. 7.1), а также происходящих в

нем процессов можно сформулировать ряд требований к нагрузочной цепи. Во-первых, входное напряжение должно практически полностью прикладываться к диоду (и„ *в ы_вх), для чего требуется выполнение условия С > С_д, где С_;1 — емкость диода, шунтирующая р-л-переход или промежуток анод — катод. Во-вторых, необходимо выполнение условий т_р т (Rt_\\ R) С > Г_ш, т₃ » = (Ri+1| R) С«;тр, где т_р и т₃ — постоянные времени разрядки и зарядки конденсатора С; /?₍_ и R_i+ — сопротивления диода для отрицательных и положительных полуволн входного напряжения; Т_ш — период приложенного высокочастотного напряжения частоты (о. Выполнение условия т_р > 7"ш позволяет считать рабочую точку неподвижной даже при наличии входного переменного напряжения, что используется при дальнейшем анализе детектора. При этом urc да Зависимость полезного

эффекта детектирования ДсУ_ от амплитуды приложенного напряжения <У„ дается детекторной характеристикой (рис. 7.4).

Если входной сигнал имеет амплитудную модуляцию с глубиной т и частотой Q, а напряжение на нагрузке успевает «следить» за изменениями амплитуды входного сигнала, то Дс7_ становится функцией времени и повторяет закон модуляции входного сигнала. При этом возникают нелинейные искажения, вызванные нелинейностью детекторной характеристики (сУа Ф Uq), а при модуляции спектром частот — частотные и фазовые искажения, обусловленные влиянием нагрузочной емкости С детектора, что ограничивает ее максимально допустимое значение.

Могут возникнуть также некоторые специфические виды нелинейных искажений, о которых будет сказано позже.

Рассмотрим вначале детектирование слабых сигналов короткозамкну-тым детектором (R - 0 на рис. 7.1). При этом эффект детектирования А//., отсутствует, так что нрактнче-

Рис. 7.4

ского смысла такой детектор не имеет, однако его рассмотрение целесообраз но с методической точки зрения. На грузочная линия (см. рис. 7.2) в это\ случае идет вертикально и положение точки покоя всецело определяется величиной Е„ <У„. Мгновенное значение напряжения на диоде и = £„ -4-+ u_BX = U₀ + м_вх. Полагаем, чтс "вх — Ь'о ^s'ⁿ — немодулированное гармоническое колебание «малой» ам илитуды. Тогда, разложив функцик i = / (сУ_п + и_т) в степенной ряд, можно учесть только первые члень разложения (до квадратичного включительно) без существенной потер г точности описания функции / (и) i районе рабочей точки:

(7.3,

Подставляя в (7.3) значение ы_вх = - U₀ sin lot, получим

Отсюда постоянная составляющая тока через диод /_ f (U„) »

+ -\f'(U„)Ui и ток покоя /«

= / (U_n)< ^а полезный эффект детекти рования по току

(7.4

При наличии нагрузки на ней вырабатывается постоянное напряжение при протекании тока /. Это напряжение смещает рабочую точку диода снижая приращение постоянного то ка. В этом случае Л/_ (U₉;

_{т е}. является функцией двух переменных: U₀ к'[/_. При условии малости U₀ полное приращение постоянного тока может быть найдено как сумма двух частных приращений — за счет изменений U₀ и U-, т. е.

(7.5)

[см. выражение (7.4), которое получено при условии U- — const = 01,

SJ1 *=-:— А(7- =

Ч,^-- const

«/'(1У_й)Д(Лг~-/' (ы_в)Д/-Я,

так как А(7_ = — AI-R и стремится «подзапереть» диод. Подставляя значения Л/1 и А/1 в (7.5), найдем

(7.6)

Очевидно, приращение постоянного напряжения на нагрузке детектора

(7.7)

а коэффициент передачи немодулиро-ванного сигнала

(7.8)

Выражение (7.7) является уравнением детекторной характеристики. Как видно, ДсУ_ = AUb, т. е. детекторная характеристика при слабом сигнале имеет вид квадратичной параболы. Поэтому детектор слабого сигнала часто называют квадратичным.

Полезные эффекты детектирования по току (7.6) и по напряжению (7.7), а также коэффициент передачи детектора (7.8) прямо пропорциональны

кривизне вольт-амперной характеристики диода в рабочей точке /" (U„) и при I//' (£/„) С R обратно пропорциональны ее крутизне /' (0„).

Квадратичность детекторной характеристики приводит к значительным нелинейным искажениям АМ-сиг-нала.

Если детектор безынерционен по отношению к огибающей входного сигнала U₀ (t) — U₀ (1 + т cosQ/), то Д U- (t) = AUb (t) - AUb X X (1 + m cos Q0⁸ = A(/|(l + + 2m cos Qt -+- т^г cos² Qt) =

- AUt, (1 + 2m cos Ш + -J + -j X

X cos 2Ш). Как видно, в составе выходного напряжения кроме составляющей основной частоты модуляции Q присутствует составляющая частоты 2Q. Если положить, что сопротивление нагрузки для обеих составляющих одинаково и равно R, то коэффициент нелинейных искажений

(7.9)

Поскольку допустимое значение k_H в радиовещании не превышает нескольких процентов (k_H < 5 %), это налагает ограничения на допустимую глубину AM в передатчике (т < 20 %). При этом очень непроизводительно расходуется мощность передатчика, вкладываемая в основном в несущую, не содержащую полезной информации. В этом состоит главная причина, по которой детектирование слабых сигналов не применяется в современных связных и вещательных радиоприемниках. Дополнительными недостатками квадратичного детектора являются низкий коэффициент передачи (обычно' не более сотых долей) и расширение динамического диапазона выходных сигналов, затрудняющее работу последующих усилительных каскадов. Поскольку емкость нагрузки детектора обладает очень малым сопротивлением для тока высокой частоты, входное сопротивление для детектора с нагрузкой такое же,

как и Для короткозамкнутого детектора, и, согласно определению, из (7.3) имеем

(7.10)

Таким образом, входное сопротивление детектора равно сопротивлению диода в рабочей точке.

Основные области применения квадратичных детекторов — измерительная техника и регистрация излучений.

Как отмечалось, при увеличении амплитуды сигнала рабочая точка диода смещается все более влево, а ток через диод приобретает вид однопо-лярных импульсов. При этом эффект детектирования по напряжению обусловлен почти линейным участком характеристики диода при больших значениях напряжения и только пульсации выходного напряжения, связанные с процессами подзарядки конденсатора нагрузки через диод, формируются начальным нелинейным участком его характеристики. Разрядка конденсатора нагрузки происходит главным образом через резистор R. Эти обстоятельства позволяют идеализировать характеристику диода—спрямить ее на участке прямой проводимости и пренебречь наличием небольшой проводимости при отрицательных напряжениях.

Диаграмма детектирования в стационарном состоянии при отмеченных условиях изображена на рис.7.5. Положим, что £„ = 0 (см. рис. 7.1). Тогда можно считать, что точка покоя лежит в начале координат и AU_ = А/_ = /_. Как видно из Рис. 7.5, при этом сУ_ =■- сУ„ cos в и коэффициент передачи детектора

/С. =t/_/t7₀-=-cos в. (7.11)

Здес.ь 6 — угол отсечки. Ток проходит через диод за период 2л в течение 2в и имеет вид косинусоидальных импульсов с основанием, равным 26*.

Вольт-амперная характеристика идеализированного диода представля-

I

ет собой линейно-ломаную, описыва* мую системой уравнений

i = Su при и ^ 0,

i — 0 при и < 0.

При подаче входного напряжени u_BX = c7₀cos со/ и при условии Е₀ =

и = и_вх — U_ = U₀ cos Ы — U₀ ) X cos в. Таким образом, на учас ке проводимости ток i Su — SU_e'. x(cos со/— cos 6) при cos iot > cos € Постоянная составляющая тока

(7.1.'

Этот ток проходит через сопротш ление нагрузки R, создавая на не падение напряжения с7_ и, следовг тельно, /_ — с7__ R = сУ₀ cos В h Приравнивая оба выражения дл /_, получаем уравнение, из которог можно определить угол отсечки €

* Разрядка конденсатора С между о пирающими импульсами (см. рис. 7.3) пpi водит к тому, что при отпирании диол возникает ток подзарядки конденсатора форма тока начинает отличаться от ук; занного выше (может приобрести вид почт треугольных импульсов), что обычно мал сказывается на качественных показателя детектора.

Как видно, В не зависит от U₀ и, следовательно, эффекты детектирования по току и по напряжению пропорциональны амплитуде входного напряжения. Уравнение детекторной характеристики — прямая с угловым коэффициентом, равным cos в. Это дает основание называть детектор сильных сигналов линейным детектором. Однако следует иметь в виду, что по принципу действия «линейный» детектор — сугубо нелинейное устройство, с гораздо более ярко выраженной нелинейностью, чем у квадратичного детектора.

Уравнение (7.14) является трансцендентным относительно угла отсечки В и решается графически или подбором.

При увеличении SR угол отсечки В -* 0. При SR > 30 можно разложить tg В в степенной ряд с учетом первых двух членов разложения tg В щ B-f- В³/3 -4- ... . Подставляя это выражение для tg В в (7Л4), получим

(7.15)

Если на детектор подается АМ-сигнал, а сам детектор линеен (идеален) и безынерционен по отношению к огибающей, то U- (t) = Ua (t) cos В == = U_а (1 + т cosQr)^cos®- Отсюда Uq == U_am cosB и

(7.16)

Тани» образом, идеальный оезы-нерционный детектор не создает нелинейных искажений огибающей и для него Ки ^г К- = cos В, причем величина cos В может быть очень близкой к единице при достаточно большом произведении SR. Это приводит к тому, что в современных приемниках применяют, как правило, детектирование сильных сигналов. Реальные детекторы, естественно, вносят нелинейные искажения по причинам, о которых будет сказано ниже.

Для вычисления входного сопротивления необходимо найти амплитуду тока первой гармоники через диод.

Выбрав начало отсчета в центре импульса тока, получим

Согласно определению, входное сопротивление

причем последнее равенство в (7.17) получено подстановкой я/S = = R (tg В —В) из (7.14). При корот-козамкнутом детекторе R = 0 и и В = я/2. Тогда

(7.18)

где Ri — внутреннее сопротивление диода.

При R = 0 входное сопротивление R_BX — 2Rt, так как ток через диод проходит только за время, равное половине периода ВЧ-сигнала, что вдвое снижает амплитуду первой гармоники. Это эквивалентно двукратному увеличению внутреннего сопротивления диода. При большом сопротивлении нагрузки (Р' > Ri) в-*- 0 и выражение (7.17) после разложения в степенные pflflbitgB и sin2B с учетом первых двух членов дает

R„ = R/2. (7.19)

Уравнение (7.13) можно привести к виду, определяющему ток в эквивалентной схеме детектора (рис. 7.6):

12н

Отсюда

— внутренние параметры детектора, введением которых детекторный каскад можно представить в виде некоторого усилителя и рассчитать частотную И фазовую характеристики, зная схему и данные нагрузочной цепи.

Ясно, что значение нагрузочной емкости при детектировании модули-

рованных сигналов не может быть сколь угодно большим из условия допустимых частотных искажений в области высших частот модуляции. Между тем во всех полученных расчетных соотношениях предполагалась неподвижность рабочей точки диода при подаче напряжения (У_вх, т. е. С—»-оо. В реальных условиях значение С ограничено, что приводит к снижению коэффициента передачи детектора и углублению пульсаций выходного напряжения. Ранее отмечалось, что желательно выполнение условий С > С_д и т_р >> Т_ш.

Более детальный анализ позволяет записать следующее условие для выбора емкости С, при выполнении которого практически не будет происходить снижение коэффициента передачи из-за недостаточности емкости нагрузки:

(7.22)

в крайнем случае при С — О (см. рис. 7.1) и — и_вх — i7? - U₀X ^e°s i,>t —[ft. На участке проводимо-V" ^Т°^{к ч}ерез диод L =- Su - S (U₀y . , ^S("{ - iT?). Отсюда «■--- SU_U cos tot/ ' ^ $R) S_a„„ U„ cos Ш, где

5дии «динамическая» крутизна диода. Это уравнение для тока имеет такую форму, при которой как будто бы не происходит смещения рабочей точки диода при подаче напряжения и_вх [см. (7.13) при в = л/21, но диод имеет меньшую «динамическую» крутизну.

Тогда постоянная составляющая тока

(7.23)

При этом коэффициент передачи

*_--= U-/U₀=-I-R/U₀-=

S_maR!n-SR/n(\+SR). (7.24)

Как видно, максимально достижимое значение К- при С = О, имеющее место при SR -*• оо, равно /(_ _тах =

1/л да 0,3.

Таким образом, изменение емкости С от С-*- оо до С = 0 при достаточно большом значении SR приводит к изменению коэффициента передачи /С_ от /(_ да 1 до AL да 0,3.

Приведенные условия дают ограничения емкости «снизу». Ограничения емкости «сверху» обусловлены допустимыми частотными искажениями огибающей — верхней граничной частотой эквивалентной схемы детектора:

bY-.lfo, (7.25)

где т_в = С (Rtd\\R)> а также возможностью появления нелинейных искажений огибающей.

Дело в том, что выходное напряжение детектора U_ (t) вследствие емкостного характера нагрузки отстает по фазе от огибающей входного напряжения U₀ (/) (рис. 7.7, а). Если это

отставание оказывается слишком большим, а скорость изменения огибающей больше скорости изменения U_ (/), допускаемой постоянной времени нагрузки, то диод закроется в момент времени t_x (рис. 7.7, б) и будет заперт до тех пор, пока напряжения U₀(t) и £/_ (г) вновь не сравняются в момент времени /₂. На интервале времени /₂— /, происходит разрядка конденсатора С через резистор R и информация, содержащаяся в огибающей входного напряжения £/„ (/), детектором не извлекается. Появляются искажения огибающей нелинейного характера, связанные с наличием нелинейного элемента - диода. Для исключения подобных искажений напряжение U_ (t) всегда должно успевать «следить» за изменениями огибающей U₀ (t). Это возможно при выполнении условия

(7.26)

Здесь левая часть неравенства — скорость изменения напряжения на нагрузке (RC), допускаемая ее постоянной времени, при свободной разрядке конденсатора С через R. Правая часть неравенства — скорость изменения напряжения на нагрузке, обусловленная входным воздействием U₀ (t).

Для АМ-сигнала с глубиной модуляции т и частотой модуляции Q_v соотношение (7.26) приводит к следующему условию безынерционности:

(7.27)

При данном R это условие ограничивает допустимое значение емкости нагрузочного конденсатора С.

Как видно, при т=\ условие (7.27) не может быть выполнено, так как существуют моменты времени, когда U₀ (t) 0 в минимумах модуляции и запирание диода будет обязательно происходить, так как при этом (О ф 0.

Если выходное напряжение детек-_ тора снимается через разделительный' конденсатор С_р, то запирание диода может происходить за счет постоянного напряжения на емкости С_р. Емкость С_р оказывается обычно достаточно большой, чтобы можно было снизить частотные искажения в области низших частот модуляции. При этом полное сопротивление нагрузки для тока частоты модуляции равно Ra ■- R\\Rp, где R_v — сопротивление «справа» от разделительной емкости (входное сопротивление УНЧ). Сопротивление нагрузки для постоянного тока R_ — R. Таким образом, Ra < R_. Амплитуда тока низкой частоты

Через резистор R проходит постоянный ток /_ === U_IR_ = U₀KJ !R^, причем для идеального детектора Кп =*= АС_. Запирание диода, а следовательно, и отсечка тока через диод будут отсутствовать, если /_я < < /._, т. е.

(7.28)

Поскольку обычно т « 0,8 ~ 0,9, выполнение условия (7.28) может оказаться затруднительным, так как при этом требуется или небольшое сопротивление R- (а значит, низкое входное сопротивление детектора), или большое сопротивление R_v, которое особенно трудно обеспечить при выполнении УНЧ на биполярных транзисторах.

Наряду с рассмотренным последовательным детектором часто используется параллельный диодный детек-

тор (рис. 7.8). Здесь постоянная составляющая тока диода замыкается по цепи диод — резистор нагрузки, не проходя через цепи источника сигнала. В некоторых случаях это удобно, так как позволяет изолировать детектор от постоянного напряжения, которое может быть в точке съема напряжения сигнала.

Принцип действия и расчетные формулы для параллельного и последовательного детекторов аналогичны.

Конденсатор С, являясь разделительным, заряжается до напряжения, вырабатываемого на резисторе R. Это напряжение смещает рабочую точку диода и поддерживает ее почти в неподвижном состоянии. Однако в отличие от последовательного детектора конденсатор С не выполняет фильтрующей функции для несущего колебания, поэтому требуется дополнительный фильтр Л^фСф, элементы которого выбирают так, чтобы он отфильтровывал составляющие высокой частоты и не оказывал влияния на передачу информационных составляющих.

Сопротивление переходного конденсатора С для тока высокой частоты близко к нулю. Сопротивление /?||/?ф всегда оказывается подключенным параллельно входу детектора и присутствует в составе полного входного сопротивления схемы. Поэтому

Яцу.парплл ' (Я_вх.поел,.,; (| Я |/?ф). (7.29) В ЧаСТНОСТИ, При R_Hx.,_mr ,ед

RI2 1см. (7.19)1 имеем $».»W^a (#/3||/?ф). (7.30)

Более низкое входное сопротивление параллельного детектора по сравнению с последовательным является его недостатком.

В настоящее время основным нелинейным элементом, используемым в детекторных схемах, является полупроводниковый диод. Это обусловлено его компактностью, вибростойкостью, надежностью, отсутствием цепей накала, малыми межэлектродными емкостями (для ВЧ-диодов).

Особенности расчета детекторов полупроводниковых диодах связа с наличием обратного тока при от| цательном напряжении на элект| дах. Этот ток значительно увеличи! ется с приближением к точке npof на вольт-амперной характерней-диода. Обычно для детекторных д1 дов допустимая амплитуда входнс напряжения не превышает до/ вольт или единиц вольт.

Для сигналов с амплитудой 1)_и < 0,05 -4- 0,08 В детектор можно р считать как квадратичный. При U_t) ^ 0,7 ч- 0,8 В можно использовг теорию идеального диодного детек ра. Заметим, что при «средних» 31 чениях амплитуды входного сигнг наиболее точные результаты дает т> рия экспоненциального детектора И При этом вольт-амперная харак ристика аппроксимируется эка нентой вида / - /„ (е°" - 1).

Приближенный учет обрати проводимости при необходимое можно выполнить, спрямив харак ристику диода на участке обрати проводимости и представив ее в si линейно-ломаной рис. 7.9. При эт

Для участка прямой проводимости

i т Su == (S —S_oop) и f uS_oH,. (7.32)

Как видно, в (7.32) имеется слагаемое, описывающее обратный ток в (7.31) при и <С 0. Это позволяет заменить реальный диод с обратной проводимостью идеальным диодом, шунтированным сопротивлением /?_()бр -— 1/S_o0p, с крутизной участка прямой проводимости S — S_o6p. Эквивалентная схема последовательного детектора показана на рис. 7.10. Здесь сопротивление /?_обр по постоянному току включено параллельно R, поэтому все расчеты, в которые входит сопротивление нагрузки и крутизна диода, следует проводить, считая, что R заменяется на R', a S — на 5':

(7.33) (7.34)

В то же время но переменному току ВЧ сопротивление /?_обр включено параллельно входу детектора и нагружает источник сигнала. Поэтому

^вх Яцх.идИ #o6p- (7.35)

При использовании полупроводниковых диодов следует принимать меры для снижения влияния нелинейной емкости р-п-перехода на резонансный контур, с которого снимается на*-пряжение и_вх. При этом должно выполняться условие С,, С_вх (С_к — емкость контура).

Рассмотрим особенности детекторов на биполярных транзисторах. Транзисторные детекторы применяются обычно в сравнительно простых и дешевых радиоприемных устройствах. Их основные преимущества по сравнению с диодными детекторами — возможность одновременного усиления сигнала, т. е. получения .. коэффициента детектирования значительно больше единицы, а также возможность получения большей абсолютной мощности продетектирован-ного сигнала, что облегчает возбуждение последующих каскадов, обладающих малым входным сопротивлением. По остальным показателям транзисторные детекторы уступают диодным (большие нелинейные иска-, жения, меньшие перегрузочная способность и входное сопротивление) и в настоящее время применяются редко.

В транзисторных детекторах детектирование может производиться за счет нелинейности базового, коллекторного и эмиттерного токов. При этом далеко не всегда возможно создание режима чисто базового, коллекторного или эмиттерного детектирования, так как одновременно сказывается нелинейность тока других электродов. В этих случаях получают, например, коллекторно-базовый или эмиттерно-базовый детектор.

Транзисторы в детекторных каскадах чаще всего включают по схеме с общим эмиттером, реже — по схеме с общим коллектором и устанавливают в заведомо нелинейный режим в отличие от аналогичных транзисторов, включенных по схеме усилительных каскадов. Типичная схема транзисторного детектора приведена На рис. 7.11. Делитель напряжения R_r,,R_r,i должен создавать небольшое (сотые доли вольт) отпирающее на-

пряжение на базе. При этом маломощные транзисторы, обычно используемые в детекторных каскадах, дают наибольший эффект детектирования. Однако это напряжение может быть равно и нулю, что очень незначительно снижает эффект детектирования. При этом в схеме рис. 7.11 делитель RoiRa ^и конденсатор С₀ могут вообще отсутствовать, что существенно упрощает схему детектора, приближая ее к схеме детектора на диоде.

Конденсатор C_f) необходим для того, чтобы все входное напряжение прикладывалось к промежутку база эмиттер транзистора. Если конденсатор С_б оказывает очень малое сопротивление токам частот модуляции, т. е. (/?_б,||/?_б2) . 1/fiCei то смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора в такт с частотой модуляции будет отсутствовать, а в базовой цепи будет присутствовать только эффект детектирования по току. Базовый ток низкой частоты будет управлять током коллектора, приводя к появлению на коллекторе переменного низкочастотного напряжения при наличии нагрузочного сопротивления (#,,)•

Транзистор может быть поставлен И в такой режим, при котором резко проявляется нелинейность зависимости коллекторного тока от входного напряжения. Основной эффект детектирования здесь получается за счет коллекторного детектирования, но полностью избежать базового детектирования в этом случае нельзя, так как всегда имеется нелинейность характеристики базового тока. Чтобы снизить эффект базового детектирования, необходимо по возможности уменьшать полное сопротивление базового делителя (/?_б1||/?_б2).

Входное сопротивление транзисторных детекторов при малых и средних амплитудах сигнала, когда отсутствует отсечка базового тока, в первом приближении находят так же, как Для усилительных схем в режиме короткого замыкания на выходе (конденсатор С„ имеет малое сопротивление току частоты сигнала).

При наличии отсечки базового тс ка (сильные сигналы) входное сопрс тивление увеличивается за счет сни жения амплитуды базового тока сиг нальной частоты. Характерными зна чениями являются: R_uxd * (2-5-3) >

^вх.уС' Cuxd ^вх.ус' (2-т-З).

В импульсных системах передач! информации полезное сообщение мо жет содержаться в параметрах каждо го импульсного сигнала или в пара метрах импульсной последовательно сти. Поскольку речь идет о детекто pax АМ-сигнала, в первом случае за дача сводится к преобразовании радиоимпульсов в видеоимпульсы форма которых повторяет форму оги бающей каждого радиоимпульса с до пустимыми искажениями. Во второ? случае стоит задача выделения огиба ющей импульсной последователь ности, причем роль несущего ко лебания могут выполнять как ра диоимпульсы, так и видеонмиульсны' последовательности.

В соответствии с изложенным раз личают три вида детектирования им пульсных сигналов |30|:

1) детектирование радиоимпульсов с целью выделения огибающее каждого из них (импульсный детектор);

2) детектирование последовательности радиоимпульсов с целью выделения ее огибающей (пиковый детектор);

3) детектирование последовательности видеоимпульсов с целью выделения ее огибающей (детектор видеоимпульсов).

Рассмотрим подробнее эти детекторы.

1. Импульсный детектор. Импульсные детекторы могут выполняться на диодах (по параллельной или последовательной схеме), туннельных и обращенных диодах, транзисторах и др. Наиболее распространенными являются диодные импульсные детекторы в силу их высокой перегрузочной способности, простоты схемы и наличия малых искажений.

Особенности импульсных детекторов рассмотрим на примере пос.тедо-

вательного диодного детектора (см. рис. 7.1). Интерес представляет искажение огибающей импульса — растяжение переднего и заднего фронтов и срез вершины. Эти параметры можно было бы легко найти из эквивалентной схемы детектора рис. 7.6 (с добавлением переходного конденсатора, если он имеется в реальной схеме), если бы отсутствовало сложное нелинейное взаимодействие детектора с источником сигнала в процессе изменения напряжения на нагрузке.

Пусть на вход каскада, к которому подключен детектор, подается прямоугольный радиоимпульс с амплитудой Uonx.yc ^и длительностью т (рис. 7.12, а). В момент времени t ~ 0 на нагрузке детектора не было напряжения, поэтому в этот момент времени угол отсечки В = я/2 (см. рис. 7.5). По мере зарядки нагрузоч-

ного конденсатора и появления напряжения (У_ (0 рабочая точка диода смещается влево и в —>- в_у, где в_у -г установившееся значение угла отс,ечки (рис. 7.12, б). В соответствии с изменением В изменяется и сопротивление /?_вх от R_l[K i= 2R_t в момент времени / 0 до R_BS =» /?_вх.у в стационарном состоянии (рис. 7.12, б).

Одновременно изменяется полное нагрузочное сопротивление каскада, работающего на детектор, а следовательно, и его усиление. Как видно, амплитуда напряжения на входе детектора £/„ (0 ~ U_0bx._yc К_ус (0. а форма импульса на входе детектора отлична от прямоугольной (рис. 7.12, г). Это значительно усложняет расчет времени установления видеоимпульса на выходе детектора. Анализ приводит к приближенной расчетной формуле:

где R_K -- резонансное сопротивление контура усилителя без учета R_BX (если детектор подключен к контуру с коэффициентом трансформации п, то вместо R_K подставляют R'_K — n'²R_K).

После окончания входного импульса диод при детектировании сильных сигналов практически запирается (остается только его обратное сопротивление ^обр, зависимостью которого от приложенного напряжения обычно можно пренебречь). При этом происходит разрядка нагрузочного конденсатора через сопротивление #П^обр ^и форму заднего фронта выходного импульса можно считать экспоненциальной (рис. 7.12, д).

Время спада, исчисляемое как интервал времени от момента окончания импульса до момента, когда напряжение U_ (/) достигает значения 0,1 U (т),

/,._л -2,ЗС(Я||Л_о6р).

(7.37)

Обычно /_С11 >/_у и сопротивление нагрузки рассчитывают по допустимом)' времени спада при выбранной

i и

емкости С. Последняя должна удовлетворять условию достаточности с точки зрения коэффициента передачи (т_р » Т_ш или хотя бы т_р да да (2-г-З) Г», С»С_Д).

2. Пиковый детектор. Пиковый детектор представляет собой по существу обычный детектор, обладающий настолько большой постоянной времени разрядки нагрузочного конденсатора, что между импульсами напряжение на нем мало изменяется и остается примерно пропорциональным амплитуде последнего импульса (рис. 7.13). С этой точки зрения обычный детектор с постоянной времени т_р ^ Т_ш является пиковым при непрерывном сигнале. Когда же роль несущего колебания выполняет импульсная последовательность с периодом повторения импульсов Т, для сохранения «пиковости» детектора необходимо выполнить условие т_р > Т. Если, как это чаще всего бывает, т_р > 10 Т, спад напряжения на нагрузке между импульсами не будет превышать 10 %.

Сообщение с помощью импульсной последовательности может быть достаточно точно передано при выполнении условия Г_а > Т.

На основании изложенного можно сделать вывод, что при пиковом детектировании радиоимпульсов остаются в силе все расчетные формулы для детектора непрерывного сигнала. Следует только учитывать, что для полной эквивалентности всех показателей детектора при переходе от непрерывного сигнала к импульсному необходимо выполнить условия, при которых положение рабочей точки в случае импульсного сигнала на входе детектора будет таким же, как и в случае непрерывного сигнала, и эта рабочая точка будет столь же неподвижной. Этого можно добиться соответствующим увеличением нагрузки R и постоянной времени т_р. В частности, если диод имеет идеальную линейно-ломаную характеристику, то подача сигнала со скважностью q ■ -^; Т т приводит к тому, что в q раз

Рис 7.13

уменьшается постоянная составл} щая тока через диод, т. е.

Так как по-прежнему /_ = UJR == i7₀ cos &/R, получаем уравне! для нахождения угла отсечки в bi

t_ge —в ^nq/SR. (7.

Понятие входного сопротивлег имеет смысл только при действии с нала на входе детектора и, следо тельно, выражение для Я_вх сохра: ется таким же, как и при непрер] ном сигнале:

(7.

Таким образом, в данном слу достаточно увеличить в q раз соп тивление нагрузки детектора, чтс восстановить все его качественные казатели при переходе от непрер! ного сигнала к импульсному.

При необходимости неискажена воспроизведения огибающей импул ной последовательности должны 6i выполнены обычные условия:

^_вт_Р < У(1 — m²)/m, R_aIR- > 3. Детектор видеоимпульсов. Рс

несущего колебания здесь выполн последовательность видеоимпульс Амплитуда видеоимпульсов изме: ется в соответствии с законом моду, ции (рис. 7.14). Задача детектора выделить огибающую видеоимпул ной последовательности. Очевид должны выполняться уело!

шинстве случаев амплитуда видеоимпульсов весьма велика и используется диодный детектор, обладающий наибольшей перегрузочной способностью.

Могут применяться последовательная и параллельная схемы. Параллельная схема предпочтительнее, когда импульсы снимаются с выхода видеоусилителя и требуется изоляция диода от высокого напряжения источника питания.

При изучении переходных процессов каскад видеоусилителя и детектор необходимо рассматривать как

одно целое, поскольку спектры входного и выходного процессов перекрываются и нельзя ограничиться учетом реакции детектора на усилитель через изменяющееся значение величины

Схема последовательного детектора видеоимпульсов изображена на рис. 7.15. В ней предшествующий усилительный каскад заменен, источником — генератором ЭДС £„ с внутренним сопротивлением /?_и, а паразитные, шунтирующие вход детектора емкости отброшены как несущественные.

Формирование выходного напряжения urc иллюстрируется рис. 7.14. За время существования входного импульса нагрузочный конденсатор С заряжается с постоянной времени т, - [(/?„ + R_t) \\R]C да да(/?„ 4- R_t)C. Если т₃ < (1/Зч-1/5)т, то конденсатор успевает зарядиться практически до амплитудного значения импульса.

В промежутках между импульсами конденсатор разряжается с постоянной времени т_р = [R\\(R_U -f + ^обр)1 С да RC. Если выполняется условие т_р > (Т — т) да Т, то потеря напряжения между импульсами будет очень незначительной. Таким образом, детектор видеоимпульсов при выполнении указанных условий является пиковым детектором с коэффициентом передачи, близким к единице.

Схема параллельного детектора видеоимпульсов изображена на рис. 7.16. Здесь за время действия импульса конденсатор С заряжается с постоянной времени т₃ = [/?„+ + (/?|||Я||Я_Ф)]С да (Л_и + R) С. Разрядка конденсатора между импульсами происходит с постоянной времени

т_Р = IR» +'(Я||/?оер11Яф)]С.

В любой момент времени напряжение на нагрузке ur — и_вх — ис, где и_с — напряжение на конденсаторе С, изменяющееся так, как показано на рис. 7.14 (urc)- Следовательно, форма напряжения на нагрузке R будет такой, как на рис. 7.17 (и_нх — ис)- Это напряжение содержит постоянную

составляющую, которая может быть выделена после дополнительной фильтрации в фильтре нижних частот /?фСф с постоянной времени Та > РкфСф 3> Т. При выполнении условий т₃ < -f-"f) ^т' ^тр ^ ^{Т К0Э}Ф" фициент передачи детектора получается очень близким к единице.