Принцип действия и характеристики диодного детектора.

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

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

 

                                              (5)

где U_g – 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 i_g при синусоидальной форме сигнала u_c(t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору R_н, 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.

(2)

g

(1)

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

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

,                                         (6)

где I_об – абсолютное значение величины обратного тока диода, φ _T – температурный потенциал, равный при Т=293˚ K примерно 26 мВ. Полагая напряжение на диоде равным u_g(t)=u_a(t)cos(ω _c t) – U₌ , подставляя u_g(t) в (6) и раскладывая в ряд по функциям Бесселя J_k получим:

      . (7)

Выделим в (7) следующие компоненты токов:

· постоянного:                   ,

· переменного с частотой ω_c: ,        (8)

· переменного с частотой 2ω_c: ,

и так далее.

Зависимость постоянной составляющей U₌ от амплитуды приложенного напряжения U _c дается 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 R_н возрастает 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(u_a ( t )/φ_T) 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 k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н £ 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 i_g=f(u_g) (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 C _н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C _н разряжается через резистор R _н.

Полагая, что u_c(t)=U_ccosω_ct, ток открытого диода определяется выражением

              ,         (12)

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

Интегрируя (12) на интервале [0,2p], 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 R_н, и не зависит от величины U_c.

Для амплитудно-модулированного сигнала, имеем:

u_вых(t) =cosq U_c[1+m_a x(t)]=U_ccosq + m_aU_c 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≤U_c≤U_c⁽¹⁾ на рис. 2, необходимо выбирать значение U _c    исходя из неравенства:

                                             ;                                        (16)

· различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

При использовании усилителя с входным сопротивлением

R_УНЧ ³ (5 – 10)R_н

и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R_УНЧ из условия:

,                                     (17)

             где Ω_min – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;

· нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U₌ и u _a(t). В моменты времени, когда u _a(t) < U₌, конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

,                               (18)

где Ω_max – 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 C_н выбирается из условия:

                                             ,                                       (19)

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

                                             k_ф = ω_cC_н r_g,                                        (20)

где r_g – сопротивление диода в открытом состоянии.

Транзисторный детектор.

Основным преимуществом такого детектора, по сравнению с диодным, является возможность одновременного детектирования и усиления сигнала, что облегчает работу последующих каскадов. В транзисторных детекторах детектирование может выполняться за счет нелинейной вольтамперной характеристики базового, коллекторного и эмиттерного токов; причем далеко не всегда возможно создание чисто базового, коллекторного или эмиттерного детектирования и на практике используют смешанные режимы, например, коллекторно-базовый или эмиттерно-базовый режим детектирования.

Входное сопротивление R_вх и входную емкость С_вх транзисторного детектора при малых и средних амплитудах входного сигнала в первом приближении находят так же, как аналогичные параметры для усилительных схем в режиме короткого замыкания на выходе. При наличии отсечки базового тока (в режиме «сильных» сигналов) входное сопротивление транзисторного детектора оказывается выше, чем у диодного.

Благодаря указанным преимуществам, в интегральных микросхемах, как правило, используются транзисторные детекторы. Примером является микросхема, состоящая из усилителя промежуточной частоты с автоматической регулировкой усиления и амплитудного транзисторного детектора.

Синхронный детектор.

В качестве синхронного детектора обычно используется аналоговый перемножитель сигналов. При этом на один из входов аналогового перемножителя поступает амплитудно-модулированный сигнал uc(t) (1), на другой вход – опорное когерентное колебание u₀(t). В результате перемножения колебаний на выходе образуются низкочастотная составляющая 0,5u _a(t)U₀ и высокочастотная составляющая 0,5u _a(t)U₀cos(2w _c t), которая устраняется на выходе с помощью фильтра низкой частоты C_нR_н. К основным преимуществам синхронного детектора относятся:

· малые нелинейные искажения u_вых(t), вследствие работы при достаточно больших напряжениях опорного колебания в режиме детектирования «сильных» сигналов;

· возможность подключения в качестве нагрузки ФНЧ с полосой прозрачности, величина которой не зависит от значений частоты W_max модулирующего колебания;

· высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает хорошее согласование с соседними каскадами устройств обработки сигналов.

Однако преимущества синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов реализуются лишь при точной синхронизации опорного и несущего колебаний. В реальных устройствах возможен фазовый сдвиг y между указанными колебаниями, вызванный задержкой в цепи формирования опорного колебания.

При наличии фазового сдвига y ¹ 0 амплитуда колебания на выходе синхронного детектора будет равна:

                        .                  (21)

Разлагая (21) в степенной ряд и ограничиваясь первыми членами разложения, можно получить:

.

Если входной сигнал u(t) имеет амплитудную модуляцию вида u _a(t)=U_c[1+m _acosΩt], то полезный сигнал на выходе синхронного детектора (без учета коэффициентов усиления) имеет вид:

u_вых(t)=0,5U_c[1+m_acosΩt]U₀cosy.                    (22)

Из выражения (22) следует, что максимальное значения u_вых(t) достигается при величине y = 2kp, что и следовало ожидать.

Лабораторная работа.

Качественные показатели амплитудных детекторов в значительной степени определяются уровнем амплитуды сигнала на входе детектора. Поэтому, как было показано ранее, методы расчета характеристик амплитудного детектора наиболее полно разработаны для режимов «сильных» и «слабых» сигналов.

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование основных характеристик и параметров амплитудных детекторов, выполненных на основе:

· диодного детектора (тип 1);

· транзисторного детектора (тип 2);

· синхронного детектора на основе аналогового перемножителя (тип 3).

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме программного управления от ЭВМ.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 5. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

 

Структурная схема установки.

Лабораторная установка включает в себя генератор входного сигнала и блок детекторов (рис. 5).

Генератор входного сигнала формирует амплитудно-модулированный сигнал с регулируемыми амплитудой, частотой и состоит из:

· генератора высокой частоты (ГВЧ) с частотой генерации f _c = 465 кГц и регулируемой в диапазонах 0 – 0,1 В и 0,1 – 1,0 В амплитудой колебания u _Г;

· генератора низкой частоты (ГНЧ) с регулируемой в пределах 30 Гц – 15 кГц частотой генерации и постоянной амплитудой колебания U_M;

· модулятора, формирующего амплитудно-модулированный сигнал с постоянным коэффициентом глубины модуляции m _a=30 %.

блок детекторов содержит:

· диодный детектор, к выходу которого подключены коммутируемые независимо элементы нагрузки – резисторы и конденсаторы: R1, R2, C1 и C2;

· транзисторный детектор с коммутируемыми элементами нагрузки R1, R2, C1 и C2 на выходе;

· синхронный детектор, выполненный на основе аналогового перемножителя.

Значения параметров для диодного детектора: R1 = 20 кОм, R2 = 10 кОм, C1 = 4700 пФ, C2 = 1000 пФ.

К выходам детекторов через разделительный конденсатор Cр = 0,47 мкФ подключен нагрузочный резистор R = 20 кОм.

На задней стенке установки имеется разъем для подключения ЭВМ и контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение u _c(t),«Вых 2» – напряжение U_W, «Вых 3» – напряжение U₌.

Панель ручного управления.

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «ГВЧ» – генератора высокочастотного сигнала u _Г :

«УРОВЕНЬ» – кнопка переключения уровня сигнала;

«АМПЛИТУДА» – потенциометр регулировки амплитуды сигнала;

Поле «ГНЧ» – генератора низкой частоты:

«вкл» – кнопка включения генератора;

«ЧАСТОТА» – потенциометр плавной регулировки частоты ГНЧ;

«<», «>» – копки переключения диапазонов («меньше», «больше»);

Поле «ДЕТЕКТОРЫ» – детекторов сигнала:

«ТИП» – кнопка переключения типа исследуемого детектора;

«НАГРУЗКА» – кнопки подключения нагрузок резисторов и конденсаторов: R1, R2, C1, C2.

---

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!