Амплитудный детектор на диоде


Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал uc(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора Сни резистора Rн, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание uвых(t).

Значение тока через диод ig для режима покоя (uc(t)=0) может быть найдено из уравнений:

(5)

где Ug – напряжение на диоде VD (рис. 1).

Первое уравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ , форма тока через диод ig при синусоидальной форме сигнала uc(t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, создает падение напряжения U=, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод при положительных значениях входного напряжения.

На рисунке 2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc(1) <Uc(2). Тогда постоянные составляющие напряжений U=(1)<U=(2) и I=(1)<I=(2). На этом же рисунке условно изображена зависимость ig=f(t).

Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

, (6)

где Iоб– абсолютное значение величины обратного тока диода, φT– температурный потенциал, равный при Т=293˚ K примерно 26 мВ. Полагая напряжение на диоде равным ug(t)=ua(t)cos(ωct) – U= , подставляя ug(t) в (6) и раскладывая в ряд по функциям Бесселя Jk получим:

. (7)

Выделим в (7) следующие компоненты токов:

постоянного: ,

переменного с частотой ωc: , (8)

переменного с частотой 2ωc: ,

и так далее.

Зависимость постоянной составляющей U= от амплитуды приложенного напряжения Ucдается детекторной характеристикой (рис. 3).

Из (8) и (1) следует, что при x(t) = 0 детекторная характеристика может быть записана в виде:

. (9)

Анализ выражения (9) позволяет сделать два основных вывода:

с увеличением Rнвозрастает крутизна детекторной характеристики,

с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:

детектирование «слабых» сигналов,

детектирование «сильных» сигналов.

В режиме «слабых» сигналов, представив функцию J0(ua(t)/φT) в виде ряда, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.

, (10)

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен:

. (11)

Например, допустимое значение kнв системах радиовещания не превышает нескольких процентов (kн £ 5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью ig=f(ug) (5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U=, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда . На рис. 4 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резистор Rн.

Полагая, что uc(t)=Uccosωct, ток открытого диода определяется выражением

, (12)

где – косинус угла отсечки, S – крутизна вольтамперной характеристики на рабочем участке.

Интегрируя (12) на интервале , можно получить выражение для U= в виде:

. (13)

Учитывая, что , для малых значений угла q получаем:

, (14)

т.е. угол отсечки определяется лишь значениями S и Rн, и не зависит от величины Uc.

Для амплитудно-модулированного сигнала, имеем:

uвых(t) =cosq Uc=Uccosq + maUc x(t)cosq, (15)

т.е., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла q не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x(t).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤Uc≤Uc(1) на рис. 2, необходимо выбирать значение Ucисходя из неравенства:

; (16)

различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

При использовании усилителя с входным сопротивлением

RУНЧ ³ (5 – 10)Rн

и выборе величины емкости разделительного конденсатора Cp, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с RУНЧиз условия:

, (17)

где Ωmin – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;

нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора Cн. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U= и ua(t).

В моменты времени, когда ua(t) < U=, конденсатор Cнбудет разряжаться через резистор Rнпо экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

, (18)

где Ωmax – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора Cнвыбирается из условия:

ВВЕДЕНИЕ

Детекторы предназначены для преобразования спектра модулиро­ванного колебания с целью выделения из него модулирующего сигнала, несущего информацию. Как и любые устройства, преоб­разующие спектр, детекторы выполняются на нелинейных или па­раметрических элементах. В качестве нелинейных элементов де­текторов широко применяют полупроводниковые диоды. В тех случаях, когда одновременно с детектированием желательно уси­лить сигнал, в качестве нелинейных элементов используют тран­зисторы. В некоторых старых радиоприемных устройствах сохра­нились детекторы на электровакуумных приборах — лампах. В настоящее время широко применяют диодные и транзисторные де­текторы, выполненные в виде интегральных микросхем.

В зависимости от вида модуляции высокочастотного несущего колебания детекторы разделяют на амплитудные, импульсные, частотные и фазовые.

Основным требованием, предъявляемым к детекторам, являет­ся возможно более точное выделение и воспроизведение модули­рующего сигнала.

Амплитудные детекторы применяются в приемниках AM-коле­баний для преобразования высокочастотного колебания, модули­рованного по амплитуде, в напряжение, изменяющееся по закону низкочастотного модулирующего сигнала (по закону изменения амплитуд). Простейшие схемы диодных амплитудных детекторов приведены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 – Схемы диодных амплитудных детекторов

а – последовательная; б – параллельная

Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ампли­тудных детекторов, приведены на рисунке 1.2.

Рассмотрим работу детектора на рис. 7.1,а.

Диод VD обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Поэтому при подаче на вход детектора АМ-колебания (рисунок 1.2,а), снимаемого с контура LKCK,входящего в УПЧ, ток через диод будет прохо­дить в виде отдельных импульсов только во время положительных полупериодов входного напряжения (рисунок 1.2,6). Этот ток через резистор с малым сопротивлением заряжает конденсатор С до на­пряжения, близкого к амплитуде входных колебаний. При убы­вании тока текущего через диод, и во время отрицательных по­лупериодов входного колебания конденсатор С сравнительно мед­ленно разряжается через резистор нагрузки RH. В результате на резисторе нагрузки создается напряжение, которое при правильно выбранных параметрах элементов схемы с требуемой точностью воспроизводит закон изменения огибающей входного колебания, т. е. модулирующий сигнал (рис. 1.2,в).

В рассмотренной схеме диод включается последовательно с ре­зистором нагрузки, поэтому эта схема называется последователь­ным диодным детектором. Возможно и параллельное включение диода и резистора нагрузки. Такая схема, называющаяся парал­лельным диодным детектором, изображена на рис. 1.1,6.


Рисунок 1.2 – Временные диаграммы тока и напряжений в диодном амплитудном детекторе

а – входное напряжение; б – ток диода; в – напряжение на нагрузке

Процесс работы параллельного детектора не отличается от рассмотренного ранее, однако в параллельном детекторе на ре­зисторе нагрузки, не зашунтированном конденсатором, действует напряжение высокой частоты. Для уменьшения этого напряжения на входе следующего за детектором каскада необходимо ставить фильтр нижних частот либо снимать про детектированное напря­жение с конденсатора С. В параллельном детекторе резистор на­грузки через малое сопротивление конденсатора С по высокой частоте оказывается подключенным параллельно контуру предше­ствующего детектору УПЧ. В результате частотно-избирательные свойства этого контура ухудшаются.

Из сказанного следует, что параллельный диодный детектор по своим свойствам хуже последовательного.

Параллельная схема оказывается удобнее в тех случаях, когда в точках подключения входа детектора действует постоянная составляющая напряжения. И ее надо отфильтровать. В этом случае конденсатор С будет од­новременно выполнять роль разделительного конденсатора.

9.1.7 Диодный амплитудный детектор

Рассмотрим принцип действия простейшего АД на основе диодного выпрямителя (рис.22) сначала при гармоническом воздействии, т.е. при

.

Состояние диода описывается его ВАХ , линейно-ломаная аппроксимация которой представлена на рис.23. при диод характеризуется сопротивлением открытого p-n-перехода , а при — сопротивлением закрытого p-n-перехода , причем . В схеме рис.22. При поступлении положительной полуволны входного напряжения и при диод открыт и через него течет ток. Конденсатор С через открытый диод быстро заряжается с постоянной времени . Заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на емкости () не сравняется с входным напряжением, и диод закроется. В результате конденсатор начнет разряжаться через сопротивление R.

Обычно . Разряд происходит медленнее, чем заряд (tразр = CR >> tзар), за время действия отрицательной полуволны входного напряжения выходное напряжение изменится мало.

Рис.24.

На рис.24 показан установившийся процесс заряда и разряда конденсатора. Ток диода течет только в те моменты времени, пока . По отношению к диоду напряжение является смещением. Поскольку (см. рис.23) равно 0, то обеспечивает работу диода с углом отсечки q < 90° . При большой постоянной времени величина близка к амплитуде входного напряжения. Поэтому здесь получается достаточно малый угол отсечки: он определяется соотношением сопротивлений и R. Действительно, крутизна открытой части ВАХ диода равна . Следовательно,

,

С другой стороны, при , .

Отсюда имеем

Учитывая, что

,

окончательно получаем следующее соотношение

Таким образом, задание внутреннего сопротивления диода и сопротивления нагрузки R однозначно определяет угол отсечки q . Чем ближе величина к , тем меньше угол отсечки. Для работы с q = 10° (cosq = 0,9848), должно выполняться .

При q (10…20)° выходное напряжение детектора близко к амплитуде входного. После определения величины R, можно определить и требуемое значение емкости конденсатора C из условия подавления высокочастотных составляющих и неискаженной передачи низкочастотной части спектра тока:

Так как , условие легко выполнить.

Поскольку амплитудный детектор подключается в качестве нагрузки усилителя высокой частоты, то важное значение имеет его входное сопротивление. При практически вся мощность, потребляемая детектором, выделяется на сопротивлении R. Поэтому можно приближенно считать ,

где и — амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая тока диода. Разделим левую и правую часть на . Получим

Отсюда, учитывая, что , имеем

,

откуда

Чтобы детектор не влиял на частотные характеристики усилителя, необходимо при выборе R выполнить условие , где — резонансное сопротивление контура усилителя.

Под выпрямлением аналогового сигнала понимается нелинейная операция над

ним, при которой все его текущие значения на выходе схемы выпрямления при одной из

его полярностей воспроизводятся неискаженно, а при другой – не воспроизводятся вооб-

ще, т. е. отсекаются. Передаточная характеристика идеальной схемы однополупериодного

выпрямления приведена на рисунке 1а. В этой схеме при любых положительных входных

uвх(t) потенциалах дифференциальный коэффициент передачи К ‘ имеет ненулевое и по-

стоянное значение и равен нулю – при отрицательных (рисунок 1б). В идеальной схеме

выпрямления область перехода от состояния передачи сигнала (состояния, когда К ‘¹ 0) к

состоянию его отсечки (К ‘= 0) имеет бесконечно малую протяженность и приходится на

начало координат сквозной передаточной характеристики (рисунок 1а). В результате этого

с помощью такой схемы можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного

выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности.

Рисунок 1. Передаточная характеристики идеального выпрямителя

Реальные схемы выпрямления указанными свойствами не обладают. Они способ-

ны эффективно выпрямлять лишь сигналы относительно большого уровня. Связано это с

тем, что в реальных схемах выпрямления область перехода от состояния К ‘= 0 к состоя-

нию К ‘¹ 0 имеет вид плавно изменяющейся функции. Так, например, для диодных струк-

тур, организованных на базе кремния или германия, даже в условиях создания в них до-

полнительных начальных токов, протяженность переходной области по оси входных сиг-

налов составляет десятки и даже сотни милливольт. Только при значениях сигнальных

напряжений, существенно больших протяженности этой переходной области, можно пре-

небречь плавностью перехода, представив передаточную функцию в виде рисунка 1а.

Свойствами эффективного выпрямления сигналов малого уровня обладают схе-

мы, организованные на основе ОУ. Такие схемы можно назвать активными выпрямителя-

ми. Одна из распространенных схем активного выпрямителя приведена на рисунке 2. Рассмотрим ее работу.

Рисунок 2. Активный выпрямитель на базе ОУ

Схема организована на базе инвертирующего включения ОУ. В ней ООС дейст-

вует, как при положительных, так и при отрицательных значениях входного сигнала uвх(t).

При положительных значениях этого сигнала, т. е. когда uвх(t) > 0, а uвых(t) < 0,

цепь обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD1. При этом входной ток

iR1 = uвх(t) / R1 протекает через резистор R2 (iR2 = iR1). В условиях действия глубокой ООС

потенциал uа(t) » 0, в результате этого uвых(t) = uR2(t) = iR2 R2 = uвх(t) R2 / R1. Из последнего

следует, что в рассматриваемых условиях коэффициент передачи К ‘0 схемы не зависит от

уровня сигнала и равен R2/R1. В результате чего положительная фаза входных сигнальных

изменений воспроизводится на выходе неискаженно только в измененном масштабе и

сменой полярности изменений на противоположную.

При отрицательных значениях входного сигнала, т. е. когда uвх(t) ,< 0, а

uвых(t) > 0, петля обратной связи замыкается через прямосмещенный диод VD2. В этих ус-

ловиях напряжение на выходе схемы uвых(t) практически равно нулю. Объясняется это

тем, что левый по схеме на рисунке 2 вывод резистора R2 подсоединен к точке нулевого

потенциала, а диод VD1 закрыт положительным потенциалом, поступающим с выхода ОУ.

Динамическое сопротивление закрытого диода по сравнению с сопротивлением R2 велико,

в результате чего прохождение сигнала с выхода ОУ на выход схемы практически отсут-

ствует.

Рассмотренная схема выпрямления способна обеспечить эффективное выпрямле-

ние знакопеременных сигналов не только высокого уровня (0,1 В и более), но и даже

весьма низкого, со значением порядка 1 мВ.

К основному фактору, мешающему успешному выпрямлению сигналов более

низкого уровня, следует отнести возможное ненулевое значение напряжения Uошвх стати-

ческой ошибки, из-за не нулевого значения которой происходит сдвиг нулевой точки

графика на рисунке 1а по оси входных напряжений на значение Uошвх.

Рассмотренные активные выпрямители могут быть преобразованы в высокочув-

ствительные схемы детектирования амплитудно-модулированных радиочастотных сигна-

лов за счет включения в них дополнительных фильтрующих цепей и конденсаторов. С

помощью этих цепей и конденсаторов, осуществляющих как фильтрацию, так и усредне-

ние выпрямленного напряжения за период несущей детектируемого колебания. Организо-

ванная таким образом схема (схема амплитудного детектора) вырабатывает на своем вы-

ходе медленно изменяющие сигналы, пропорциональные текущим значениям средневыпрямленного радиочастотного напряжения.

30. Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов.

Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх — анализируемый сигнал и Uоп — опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Как действует линейный диодный детектор?

Схема диодного детектора представлена рис. 11.8.

Рис. 11.8.Диодный детектор

Диод в этой схеме работает как выпрямитель напряжения высокой частоты. Входной амплитудно-модулированный сигнал подводится от резонансного контура, настроенного на несущую частоту и имеющего достаточную ширину полосы для выделения амплитудно-модулированного колебания. Диод как элемент с однонаправленным действием выпрямляет модулированное колебание, поэтому в нагрузку проходит только положительная полуволна сигнала. Если бы диод был включен в обратном направлении (катодом к резонансному контуру), то выпрямлялась бы отрицательная полуволна сигнала.

Если сопротивление диода rд мало по сравнению с сопротивлением резистора R на выходе возникает напряжение, равное амплитуде входного сигнала. Постоянная времени RC подбирается таким образом, что высокочастотная составляющая отфильтровывается и на выходных зажимах действуют только постоянная составляющая и модулирующий сигнал. Постоянную составляющую можно устранить с помощью конденсатора, включенного последовательно с дальнейшей частью тракта, предназначенного для усиления сигнала, полученного в результате детектирования. На рис.

11.9 представлены последовательные этапы получения напряжения, соответствующего огибающей модулированного сигнала.

Рис. 11.9.Формы колебаний при диодном детектировании:

а — амплитудно-модулированное на входе; б — после одпополупериодного выпрямителя; в — на нагрузке; г — выходное колебание без постоянной составляющей

Пояснения требует определение диодного детектора как линейного. Название происходит от динамической характеристики диода, представленной на рис. 11.10.

Рис 11.10. Динамическая характеристика линейного детектора

Эта характеристика является отрезком прямой линии, поэтому выпрямленное детектором напряжение линейно зависит от напряжения, подвергаемого процессу детектирования. Линейная зависимость обоих напряжений имеет место только при больших амплитудах, примерно более полувольта.

При малых амплитудах детектор ведет себя, как описанный выше нелинейный детектор. Следует добавить, что линейный диодный детектор во всем остальном остается нелинейным устройством, поскольку начальная рабочая точка схемы находится в месте излома динамической характеристики диода. Именно эта нелинейность в начале системы координат (при отрицательных управляющих напряжениях ток через диод не протекает) и является фактором, способствующим детектированию.

Добавить комментарий

Закрыть меню