6_1_4а (лекции по УППС (УПОС))

6.1.4 Параллельный диодный детектор – рис.6.2.

В схеме параллельного диодного АД на рис.6.2 резистор R_H включен параллельно диоду VD.

Рис.6.2 – Параллельный диодный детектор

Постоянная составляющая тока диода I_D0, протекая через резистор R_H, созда­ет на нем выходное напряжение детектора E_D. В последователь­ном АД ток I_D0 протекает по цепи (см. рис. 8.6) VD  R_H  E_нач L VD, а в параллельном — по цепи (см. рис. 8.10) VD  R_H  E_нач  VD. Поскольку сопротивление катушки L входного кон­тура для I_D0 мало, оно практически не влияет на расчетные соот­ношения для , I_D0 и К_Д и расчет этих величин производят по тем же формулам, что и для последовательного диодного АД. При определении входного сопротивления R_ВХ параллельного АД необходимо учитывать, что первая гармоника входного тока I_m1пар параллельного АД про­текает не только через диод VD, но и через резистор R_H. Поэтому I_m1пар = I_m1посл + U_BX  R_H.

Входная проводимость параллельного АД

g_ВХпар = I_m1пар  U_BX = I_m1посл  U_BX + 1  R_H = g_ВХпар+ 1  R_H. (8.36)

а входное сопротивление R_ВХпар= R_ВХпосл ||R_H. (8.37)

Согласно (8.37) входной контур шунтируется и резистором на­грузки R_H следовательно, R_ВХпар < R_ВХпосл. С учетом (8.35) R_ВХпар  R_Н/3. (8.38)

Таким образом, в параллельном АД имеет место более силь­ное шунтирование источника сигнала по сравнению с последова­тельным АД. Кроме того, на выходе детектора помимо продетектированного напряжения E_D, присутствует переменное напряжение с частотой сигнала, практически равное амплитуде входного на­пряжения. Чтобы выделить полезное напряжение E_D, необходимо на выходе АД включить фильтр С_ФR_Ф (рис.8.11,а) или приме­нить схему детектора, приведенную на рис. 8.11, б.

Параллельный АД используют в тех случаях, когда на его входе помимо полезного детектируемого переменного напряжения имеется еще и постоянное напряжение. Так, на рис. 8.11 приведены схемы параллельного АД, подключенного к LC-контуру, являющемуся коллекторной нагрузкой резонансного усилите­ля. В этих схемах на входе АД помимо полезного сигнала u_вх действует постоянное напряжение от источника коллекторного питания E_К , которое не пропускается , конденсатором С_Н либо С_Р,

6.1.5 Искажения при амплитудном детектировании

Для детектирования АМ колебаний используют детектор без начального смещения (см. рис. 8.3). Пусть на входе АД действу­ет AM колебание u_вх = U_BX cost, где U_BX = U_Н  (1 + m cos t); т — коэффициент модуляции;  = 2F — угловая частота модули­рующего колебания. Диаграммы напряжения и тока диода при детектировании AM колебания показаны на рис. 8.12. Если де­тектирование происходит без искажений, то напряжение на вы­ходе E_D = U_Н  К_Д; коэффициент передачи диодного АД К_Д = cos. Следовательно, E_D = U_Н cos (1 + m cos t). (8.39)

Если при детектировании искажения отсутствуют, то переменная составляющая выходного напряжения детектора точно повторяет огибающую входного напряжения. Однако в реальных детекторах возникают различные виды искажений. Основные причины: 1) нелинейность характеристики детектирова­ния; 2) большая постоянная времени нагрузки; 3) недостаточно большое различие частоты модуляции и частоты несущего колебания; 4) влияние разделительной цепи.

Нелинейность характеристики детектирова­ния – одна из причин искажения сигнала. Начальный участок характеристики детектирования – зависимости E_D(U_BX) – на интервале U_НЕЛ имеет нелинейный характе­р. Интервал U_НЕЛ, например, у детекторов с германиевыми диодами примерно равен 0,1 В.

Если минимальное на­пряжение на входе детектора U_{вх min} < U_НЕЛ, то коэффициент передачи детектора К_Д зависит от U_вх, форма выходного напряжения детектора отличается от формы огибающей входного напряжения – нелинейные искажения сигнала. Искажения из-за нелинейности характе­ристики детектирования малы, если U_{вх min} = U_Н (1  m )  U_НЕЛ. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы амплитуда не­сущего колебания на входе детектора U_Н удовлетворяла условию

U_Н  U_НЕЛ  (1  m). (8.40)

Причиной искажения сигнала может быть большая постоянная времени нагрузки. При положительной полуволне входного на­пряжения диод открывается и конденсатор С_Н заряжается до тех пор пока напряжение на диоде не станет равным нулю. Начиная с этого момента, диод закрывается, и конденсатор С_Н разряжается через резистор R_Н. В результате серии зарядов и разрядов создается напряжение E_D. Если по­стоянная времени _Н = С_Н R_H большая, то конденсатор С_Н не успевает достаточно разряжаться за один период u_ВХ. Поэтому напряжение E_D на конденсаторе С_Н в интервале времени t₁ — t₂ убывает медленнее, чем амплитуда входного напряжения; напряжение на выходе АД в этом интер­вале времени не успевает следить за изменением амплитуды входного напряжения U_BX.

При большом значении _Н детектор становится инерционным относитель­но изменения огибающей входного напряжения. Форма выходного напряжения E_D отличается от формы огибающей входного напряжения – возника­ют нелинейные искажения.

Условие отсутствия искажений за счет инерционности нагрузки: скорость разряда конденсатора С_Н должна быть больше скорости изменения амплитуды входного напря­жения

U_BX, т. е. |dE_D /dt| > | dU_ВХ /dt |. (8.41)

Начиная с момента t₁, в который E_D = E_D1 конденсатор С_Н разря­жается по экспоненте, т. е.

E_D = E_D1 ,

где _Н = С_Н R_Н .

Если амплитуда входного напряжения U_BX изменяется по гармоническому закону

U_BX = U_Н  (1 + m cos t),

то исследование (8.41) на экстремум дает окончательную формулу для рас­чета постоянной времени

_Н = С_Н R_Н > /m .

Этот результат показывает, что постоянная времени нагрузки _Н должна быть тем меньше, чем больше высшая модулирующая частота  и коэффициент модуляции т. Результат можно объяснить тем, что при малой частоте  амплитуда входного напряжения U_BX меняется медленно, конден­сатор С_Н успевает разрядиться на столько, что напряжение на нем следит за изменением U_BX; при малых значениях т амплитуда U_BX изменяется в меньших преде­лах и напряжение на конденсаторе С_Н также успевает изменяться в соответствии с изменением U_BX. Как показано выше, для увеличения К_D следует выбирать по возможности боль­шее сопротивление R_Н, однако с увеличением R_Н необходимо умень­шать емкость С_Н. Нужно помнить, что последняя не должна быть сравнимой с емкостью диода, так как при этом К_D уменьша­ется.

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

Если f_H » F , то, как следует из рис. 8.14, а, при правильно выбранном значении _Н напряжение E_D, повторяет огибаю­щую входного напряжения.

Однако при близости частот F и f_H , если f_H  (2—3) F , то напряжение E_D практически перестает следить за изменением U_вх (см. рис. 8.14, б). По этой причине частоту не­сущей колебания на входе АД (в супергетеродинном приемнике f_H = f_ПР) выбирают из условия f_H = f_ПР > (5 … 10) F_max, где F_max – максимальная частота модуляции. Применение двухтактного детектора равносильно увеличению несущей примерно в 2 раза.

Искажения из-за влияния разделительной цепи. Схема АД с разделительной цепью R_ВХC_Р показана на рис. 8.15. При отклю­ченной разделительной цепи напряжение E_D на резисторе R_H из­меняется в соответствии с рис. 8.16, а, оно содержит две состав­ляющие: постоянную E_D0 и низкочастотную с амплитудой U_. Низкочастотная состав­ляющая выходного напряжения детектора пропускается на вход последующего каскада через разделительную цепь C_РR_ВХ. По­стоянная времени разделительной цепи  = С_Р R_ВХ достаточно большая и обычно во мно­го раз превышает период модулирующего колебания Т_F =1/F, поэтому на разделительном конденсаторе С_Р выделится постоянная составляющая напряжения E_D0, а на входном сопротивлении следующего за детектором преобразователя R_ВХ — низкочастотная составляющая u_. Сумма двух напряжений E_D0 и u_ равна выходному напряжению детектора E_D = E_D0 + u_. Напряжение, до которого зарядится конденса­тор С_Р, равно E_D0 = U_Нcos, где cos = К_D — коэффициент передачи АД; U_Н — амплитуда несущего напряжения на входе АД. При уменьшении напряжения U_BX в процессе модуляции до минимального значе­ния конденсатор С_Р становится источником постоянного напряже­ния. Поэтому напряжение E_D на резисторе R_H не уменьшится до E_Dmin, как это происходит при отсутствии цепи R_ВХC_Р, на нем по­явится напряжение E_СМ = E_D0 R_ВХ /( R_Н + R_ВХ), запирающее диод. При К_D = cos  1 E_D0 = U_Н. Так как конденсатор C_Р имеет большую емкость, то за короткое время, пока E_D падает до минимума, он не успе­вает разрядиться. Наличие на резисторе R_Н напряжения E_СМ не позволяет напряжению E_D, стать менее E_СМ, при этом форма вы­ходного напряжения искажается (рис. 8.16,6). Так как искаже­ния имеют характер среза, они проявляются на всех частотах мо­дуляции и заметны на слух.

Для устранения искажений из-за влияния разделительной цепи необходимо выполнять условие U_BXmin  E_СМ. При

U_BХmin = U_Н (1—т); U_Н (1—т)  U_Н R_Н/(R_Н + R_ВХ)

или (1—т)  R_Н/(R_Н + R_ВХ). Обычно значения R_Н и т заданы и условие отсутствия этого вида искажений R_ВХ  тR_Н/(1—т).