Амплитудный детектор на транзисторе – Чувствительный амплитудный детектор | Техника радиоприёма

Чувствительный амплитудный детектор | Техника радиоприёма

Способ детектирования, примененный в описанных выше приемниках (см. Схема на трех транзисторах и Карманный приемник), хорошо себя зарекомендовал и навел на мысль о разработке более чувствительного амплитудного детектора для других конструкций. Известно, что диодные и транзисторные амплитудные детекторы, используемые в радиовещательных приемниках AM сигналов, обладают невысокой чувствительностью. Их коэффициент передачи быстро уменьшается при уровнях сигнала ниже 100 мВ. Связано это с квадратичностью характеристики при малых сигналах: амплитуда продетектированного сигнала пропорциональна квадрату амплитуды входного сигнала РЧ.

Гораздо большую чувствительность и больший динамический диапазон имеют активные детекторы, собранные на операционных усилителях (ОУ). Они получили некоторое распространение в измерительной технике, но так и не стали применяться в радиоприемниках, вероятно, из-за сложности, дороговизны и ограниченного частотного диапазона. Используя высокочастотный транзистор и диоды, удалось разработать амплитудный детектор с высокой чувствительностью, содержащий минимум деталей.

Схема детектора показана на рис. 4.17. Он представляет собой обычный резистивный усилительный каскад, в котором в цепи смещения базы транзистора VT1 вместо резистора установлен кремниевый диод VD1. Цепочка R2C2 фильтрует сигнал ЗЧ на выходе детектора от радиочастотных пульсаций. В отсутствие сигнала напряжение на коллекторе транзистора автоматически устанавливается около 1-1,1 В: оно равно сумме напряжений открывания диода и перехода база — эмиттер транзистора. Ток транзистора определяется напряжением питания и сопротивлением резистора нагрузки R1, I_o = (U_п — 1,1 В) / R1. При номинале резистора, указанном на схеме, и напряжении питания 3 В ток составляет около 0,5 мА, но его можно сделать и значительно меньше, увеличив сопротивление резистора.

Ток базы транзистора составляет не более нескольких микроампер, он протекает через диод в прямом направлении, устанавливая его на пороге открывания, на участке с максимальной кривизной вольтамперной характеристики, что и требуется для хорошего детектирования. Динамическое сопротивление диода составляет в этой точке десятки килоом — оно незначительно снижает усиление транзисторного каскада.

При поступлении на вход детектора AM сигнала положительные полуволны, выделяющиеся на нагрузке R1, выпрямляются диодом и увеличивают потенциал базы, открывая транзистор. Емкость разделительного конденсатора С1 должна быть значительно больше емкости обычных разделительных конденсаторов радиочастотных каскадов, чтобы он не успевал разряжаться током базы за период колебаний. Коллекторный ток открывающегося транзистора возрастает, а его коллекторное напряжение уменьшается. Максимумы положительных полуволн коллекторного напряжения оказываются как бы «привязанными» к уровню +1 В, в то время как огибающая отрицательных полуволн промодулирована удвоенной амплитудой напряжения ЗЧ. Осциллограмма коллекторного напряжения точно такая же, как на рис. 4.11.

Отфильтрованное цепочкой R2C2 среднее напряжение, соответствующее закону модуляции, поступает на выход. Его максимальный размах составляет 0,5 В, далее наступает ограничение. Параметры детектора таковы: при входном сигнале 3 мВ с глубиной модуляции 80% выходное напряжение ЗЧ составляет 180 мВ. Искажения огибающей визуально почти незаметны, к тому же они резко уменьшаются с понижением глубины модуляции. Входное сопротивление детектора невелико и составляет сотни ом, поэтому сигнал на него лучше подавать от эмиттерного (истокового) повторителя, но можно и от обычного апериодического каскада с резистором нагрузки не более 1-2 кОм. Выходное сопротивление детектора определяется суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2, поэтому желательно, чтобы входное сопротивление УЗЧ, подключенного к выходу детектора, составляло не менее 20 кОм.

Коэффициент передачи детектора и его выходное напряжение ЗЧ можно повысить вдвое, установив еще один диод, как показано на рис. 4.18. Резистор нагрузки детектора R2 присоединен к проводу питания, обеспечивая небольшой начальный ток через дополнительный диод VD2, чтобы вывести его на участок с максимальной кривизной характеристики. Этот диод выпрямляет отрицательные полуволны коллекторного напряжения, и потенциал верхней по схеме обкладки фильтрующего конденсатора С2 повторяет их огибающую.

Этот детектор вносит несколько большие нелинейные искажения, но развивает то же напряжение ЗЧ (180 мВ) при входном сигнале 1,5 мВ, а начинает детектировать при входных сигналах в сотни микровольт. Для сравнения была измерена чувствительность апериодического УРЧ (на том же транзисторе с тем же сопротивлением нагрузки 3,9 кОм), нагруженного на диодный детектор по схеме удвоения напряжения — она получилась втрое хуже, хотя схема получается сложнее и содержит больше элементов.

Постоянную составляющую продетектированного сигнала можно использовать в системе автоматической регулировки усиления (АРУ), учитывая, что в детекторе по схеме рис. 4.17 она изменяется по мере увеличения уровня сигнала от 1,1 до 0,55 В, а в детекторе по схеме на рис. 4.18 — от 1,65 до 0,55 В. Это позволяет управлять смещением кремниевых транзисторов УРЧ или УПЧ непосредственно с выхода детектора. При отсутствии сигнала смещение максимально, а при наличии сигнала уменьшается, снижая усиление каскадов. Дополнительная польза такого решения в том, что напряжение смещения будет мало зависеть от напряжения питания, поскольку детектор выступит в роли его стабилизатора.

Максимальная частота сигнала для обоих детекторов составляет около 3 МГц, поэтому их можно использовать в ДСВ приемниках прямого усиления и в супергетеродинах со стандартным значением ПЧ 450-470 кГц. Представляется интересным объединить этот детектор с описанным ранее истоковым повторителем для магнитной антенны, схема которого дана на рис. 4.6. Должен получиться довольно чувствительный приемник без усилителей напряжения РЧ.

Читать дальше — Приемник на биполярных транзисторах с АРУ

amfan.ru

Амплитудный детектор

Лабораторная работа

«Амплитудный детектор»

Теоретическая часть

Амплитудным детектором называется радиотехническое устройство, в котором осуществляется выделение из амплитудно-модулированного высокочастотного колебания (рис. 1а) модулированного сигнала (рис. 1в). Детектирование может осуществляться как в нелинейных, так и в линейных цепях с периодически изменяющимися параметрами. На практике используются нелинейные амплитудные детекторы.

На рис. 1б показана функциональная схема нелинейного амплитудного детектора, содержащая нелинейный элемент (НЭ) и фильтр (Ф), пропускающий модулирующие колебания.

При детектировании немодулированного высокочастотного сигнала выходное напряжение детектора должно быть постоянным. В этом случае амплитудный детектор работает как выпрямитель переменного тока.

В зависимости от величины входного сигнала различают квадратичный режим детектирования (слабый сигнал) и линейный (большой сигнал).

В качестве нелинейного элемента в амплитудном детекторе могу быть использованы: диод, триод, пентод или транзисторы.

В настоящей работе в схеме амплитудного детектора используется диод, а фильтром служит сглаживающий конденсатор. Такой детектор называют диодным. На рис. 2 приведена схема диодного детектора.

Сопротивление R – это сопротивление тех цепей или приборов, которые подключаются к выходу детектора.

Анализ работы «линейного» детектора

Рассмотрение работы детектора начнём со схемы, не содержащей конденсатор (см. рис. 3).

Будем считать, что напряжение Е (t) на входе меняется по гармоническому закону Е = Е

sinwt, то есть сигнал не модулирован и детектор работает как выпрямитель. При большом уровне входного сигнала вольтамперную характеристику диода с достаточной точностью можно аппроксимировать ломаной прямой, проведённой на рис. 4а.

Этот случай детектирования, при котором пренебрегают нелинейностью характеристики диода на прямой ветви, называется линейным.

Диод открыт в течение периода, когда на его аноде (т. А) имеется положительный относительно катода (т. К) потенциал. В детекторах сопротивление диода R

в открытом состоянии много меньше нагрузочного сопротивления, поэтому в этот отрезок времени большая часть напряжения E падает на резисторе R. Форма выпрямленного напряжения U повторяет форму входного напряжения Е(t). В течение другой половины периода диод закрыт и напряжение на выходе выпрямителя равно нулю. Из трафика (рис. 4в) видно, что выходное напряжение сильно пульсирует. Одним из основных параметров выпрямителя является коэффициент пульсаций К. Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды максимальной переменной составляющей на выходе к среднему значению выпрямленного напряжения. Среднее значение напряжения (рис. 4в) или его постоянная составляющая равна

U

= = U/p = 0.318 U,

где U

– амплитуда пульсаций напряжения U. Следует заметить, что, поскольку прямое напряжение на диоде очень мало, то можно считать UЕ. Выпрямленное напряжение U содержит также переменные составляющие, из которых максимальную амплитуду U имеет составляющая основной частоты переменного напряжения Е.

Используя разложение в ряд Фурье, получаем

U

= 1.57 U.

Отсюда следует, что коэффициент пульсаций в схеме выпрямителя довольно высок

К

= = 157%.

Для уменьшения пульсаций напряжения применяют специальные сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром может служить конденсатор большой ёмкости, который включается параллельно нагрузочному резистору R (см рис. 2). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е

. Зарядка конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R и создаёт на ней напряжение, которое постепенно снижается. На рис. 5 момент времени t – это тот момент, когда потенциал катода в процессе зарядки конденсатора сравнивается с потенциалом анода и ток через диод прекращается, несмотря на продолжающийся положительный полупериод напряжения Е(t). Конденсатор не успевает заметно разрядиться за время между импульсами тока диода, то есть за время Dt = t- t, так как RC>>Dt. Начиная с момента времени t положительной части синусоидального напряжения, потенциал анода становится выше потенциала катода диода и происходит быстрая подзарядка конденсатора до прежнего значения напряжения на нём в момент t.

Итак, зарядка конденсатора через сравнительно малое сопротивление открытого диода происходит быстро, разряд же на большое сопротивление нагрузки R совершается гораздо медленнее. Вследствие этих двух по разному текущих процессов напряжение на конденсаторе и включённой параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно.

Напряжение на конденсаторе U

приложено плюсом к катоду, минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде U определяется разностью между входным напряжением Е и напряжением на конденсаторе.

U

= Е – U

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательном значении входного напряжения Е = – Е

. Поскольку напряжение на конденсаторе также близко к Е, то наибольшее обратное напряжение близко к 2 Е. На рис. 5 указан момент времени t, когда реализуется наибольшее обратное напряжение. Таким образом, применение удваивает обратное напряжение по сравнению с его значением при отсутствии конденсатора. Как следствие, диод следует подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение.

Практическая часть

1. Получим ВАХ диода на осциллографе при двух различных значениях нагрузочного сопротивления (графики 1 и 2).

2. Соберём схему диодного выпрямителя без конденсатора, получим осциллограмму выходного сигнала (график 3).

3. Включим в схему конденсатор и получим осциллограммы выходного сигнала в зависимости от частоты f при ёмкости С = 0.05мкФ (графики 4–6) и от ёмкости конденсатора при частоте f = 9000Гц (графики 7–9).

Вывод

В данной работе мы изучали амплитудный детектор; получили вольтамперную характеристику диода, по виду которой определили величину прямого напряжения, начиная с которого возможна линейная аппроксимация ВАХ. Также мы изучали форму выходного сигнала диодного выпрямителя в зависимости от величины емкости конденсатора С и частоты f. Все зависимости совпадают с теоретическими.

Литература

1. В.Н. Ушаков. «Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства». М., «Высшая школа», 1976

mirznanii.com

Экономичные детекторы АМ и ЧМ сигналов

к.т.н., доцент УТОЧКИН Геннадий Васильевич

к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович

(ООО «Технический центр ЖАиС»)

I. Детекторы амплитудно-модулированных сигналов.

Принципиальная схема простейшего АМ детектора на одном транзисторе приведена на рис.1.

Входной амплитудно-модулированный сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на эмиттер транзистора VT1 который через резистор R1 соединен с общей шиной. В базовую цепь транзистора включены резистор R2 и конденсатор C2, являющийся блокировочным по частоте входного сигнала. В коллекторную цепь транзистора включены нагрузочные резистор R3 и конденсатор C3. Таким образом, в схеме рис.1 по входному сигналу имеем каскад с общей базой.

При отрицательной полуволне входного сигнала, превышающей порог отпирания базо-эмиттерного перехода транзистора VT на базе выделяется постоянная составляющая или напряжение огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала, т.е. происходит детектирование входного сигнала. Протекающий при детектировании ток базы транзистора создает на резисторе R2 напряжение, при котором напряжение коллектор-база Uкб VT становится положительным и он открывается, т.е. переходит в активный режим (в принципе, кремниевый транзистор работает в активном режиме при Uкб=0 или даже если напряжение на коллекторе на 0,3…0,4 В меньше напряжения на базе). В результате увеличивается ток коллектора и возникает напряжение на резисторе нагрузки R3, при этом из-за усилительных способностей транзистора напряжение на нагрузке по абсолютной величине больше, чем напряжение на базе (несмотря на то, что сопротивление резистора нагрузки R3 в несколько раз меньше базового резистора R2). Для n-p-n транзистора оба напряжения отрицательны.

На рис.2 приведены графики зависимости выходного напряжения и тока нагрузки от величины входного напряжения немодулированного высокочастотного сигнала на частоте 12 МГц для транзистора КТ368А.

Из графиков рис.2 видно, что зависимость выходного напряжения Uвых= и тока нагрузки Iн от входного высокочастотного напряжения линейна, причем порог линейного детектирования для транзистора КТ368А составляет 0,55В при Iн=50 мкА.

Порог детектирования Uвх min для различных типов кремниевых транзисторов колеблется в пределах 0,4…0,48 В (при токе нагрузки 5 мкА), а также зависит от частоты входного сигнала. Зависимость минимального напряжения входного сигнала Uвх min для транзистора КТ368А при Iн=5 мкА приведена на рис.3.

Как видно из приведенного графика, зависимость Uвх minот частоты имеет резонансный характер. На частоте 370 МГц минимальное входное напряжение составляет всего 90 мВ. Это объясняется тем, что входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОБ имеет индуктивный характер, причем на частотах f>>fs, где fs — граничная частота по крутизне. Входная индуктивность транзистора Lвх определяется по следующей приближенной формуле: Lвх≈ r_э/(2пf_s) = r_б/(2пf_т), где r_э — сопротивление эмиттерного перехода, r_б — сопротивление базы, f_т — частота единичного усиления.

На частоте последовательного резонанса Lвх и активной составляющей емкости коллекторного перехода Ск1 напряжение на эмиттерно-базовом переходе транзистора возрастает, чем объясняется резкое уменьшение порога детектирования.

При это входное сопротивление транзисторного детектора уменьшается с величины, определяемой в основном сопротивлением R1, до нескольких десятков Ом, определяемом сопротивлением последовательного резонансного контура LвхCк1. Так как частота fт зависит от типа транзистора и тока коллектора, то частота последовательного резонанса и минимальное напряжение детектирования зависят от величины входного напряжения и типа транзистора. Таким образом, транзисторный амплитудный детектор без источника питания обладает ярко выраженной активной частотной селекцией по минимальному напряжению детектирования.

Недостатком простейшего транзисторного амплитудного детектора является повышенные нелинейные искажения огибающей амплитудно-модулированного сигнала при больших амплитудах входных сигналов. Этот недостаток может быть устранен некоторым изменением схемы детектора.

На рис.4 приведена схема амплитудного детектора с пониженным уровнем нелинейных искажений.

В этой схеме, в отличии от детектора рис.1, между базой и коллектором транзистора включен конденсатор большой емкости С2, напряжение на котором почти не изменяется за

период частоты модуляции. Этот конденсатор заряжается разницей напряжений на коллекторе и базе транзистора до величины 0,3…0,4 В. В момент действия отрицательной полуволны огибающей амплитудно-модулированного сигнала при отсутствии конденсатора С2 произошла бы отсечка этой полуволны огибающей за счет достижения порога детектирования и запирания базо-эмиттерного перехода транзистора. Это привело бы к отсечке базового тока и значительным нелинейным искажениям. При наличии конденсатора С2 при отрицательных полуволнах огибающей снижается отрицательный потенциал на коллекторе транзистора за счет его подзапирания и уменьшения падения напряжения на нагрузочном резисторе R3. В результате накопленное напряжение на конденсаторе С2 приоткрывает транзистор (т.к. напряжение на конденсаторе С2 прикладывается в положительной полярности между общей шиной и базой транзистора.). Это приводит как бы к смещению характеристик передачи транзистора вправо и к предотвращению отсечки, а следовательно, и к уменьшению нелинейных искажений.
Таким образом, транзистор в схеме рис.4 можно рассматривать как каскад со 100%-ой отрицательной обратной связью по огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала (причем отрицательная обратная связь осуществляется через конденсатор С2). Данная параллельная ООС по выходу уменьшает выходное сопротивление детектора, что положительно сказывается на нагрузочной способности детектора. В частности, в нем не возникают нелинейные искажения за счет разности нагрузок по постоянному и переменному току.

jais.ru

Амплитудный детектор с отрицательной обратной связью — Сайт инженера Задорожного С.М.

Предлагаемое построение высококачественного амплитудного детектора стало результатом некоторой переработки схемы двухтактного усилителя класса B. Благодаря введению глубокой отрицательной обратной связи (ООС) и достигнутой благодаря этому высокой линейности амплитудный детектор показал крайне низкий уровень вносимых им нелинейных искажений.

     Введение

Характерное для двухтактного усилителя класса B раздельное усиление положительной и отрицательной полуволн входного сигнала производится двумя «плечами» усилителя по очереди, после чего усиленные половинки суммируются на подключенной к выходу нагрузке. Работу такого усилителя иллюстрируют схема на рис.1а и диаграмма на рис.1б:

Рис.1. Двухтактный усилитель класса B:
а — принципиальная схема усилителя с указанием направления токов в транзисторах;
б — сигнал на входе (бирюзовый), ток в транзисторе VT1 (красный), ток в транзисторе VT2 (синий), сигнал на нагрузочном резисторе (фиолетовый).

В схеме усилителя на рис.1а обращают на себя внимание направление и форма тока в транзисторах. Очевидно, что каждое из транзисторных плеч двухтактного усилителя класса B работает как детектор огибающей (envelop detector) входного сигнала: транзистор VT1 его положительных полуволн, а транзистор VT2 – отрицательных.

Идея высококачественного амплитудного детектора состоит в том, чтобы использовать ток в одном из транзисторных плеч усилителя класса B как выходной сигнал детектора, а для повышения его линейности и уменьшения искажений подать в цепь глубокой отрицательной обратной связи восстановленный на нагрузке полный сигнал.

     Схема амплитудного детектора с ООС

На рис.2 представлена электрическая принципиальная схема амплитудного детектора с отрицательной обратной связью:

Рис.2. Схема амплитудного детектора с ООС.

На схеме легко узнаваема одна из разновидностей двухтактного усилителя класса B. Составные транзисторы его плеч выполнены на транзисторах различной проводимости, соединённых по комплементарной схеме Дарлингтона [1]. Резистор R11 выполняет функцию нагрузки усилителя. От классических схем двухтактного усилителя класса B эту схему отличают резисторы R9 и R10, сопротивление которых выбрано равным сопротивлению нагрузки усилителя R11. Именно на резисторах R9 и R10 соответственно положительная и отрицательная полуволны переменного тока в нагрузке создают такое же по форме напряжение сигнала, которое и является выходным сигналом амплитудного детектора.

Входной сигнал подаётся в точку XT1 и далее через конденсаторы C2 и C3 поступает на базы правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2. Левые по схеме транзисторы этих сборок включены как диоды и служат для установки некоторого небольшого начального тока смещения правых транзисторов, а также его термостабилизации в виду идентичности характеристик транзисторов, в том числе температурных, в составе транзисторной сборки. Пары транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2 таким образом включены по схеме «токовое зеркало» [2], поэтому начальный ток смещения правых по схеме транзисторов будет практически таким же, что и ток в левых, независимо от температуры окружающей среды. Ток через левые по схеме транзисторы транзисторных сборок задаётся схемой регулируемого источника опорного напряжения на микросхеме D1 и резисторами R5 и R6, включенными последовательно с этими транзисторами.

Отрегулировать начальный ток смещения можно резистором R2. Для того, чтобы такой двухтактный усилитель класса B работал как высокочувствительный амплитудный детектор с малыми искажениями, начальный ток смещения правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2 необходимо установить таким, чтобы транзисторы VT3 и VT4 при отсутствии сигнала были близки к открытию, но всё же оставались закрытыми во всём диапазоне рабочих температур. То есть ток в транзисторах VT3 и VT4 должен либо не превышать единиц микроампер, либо вообще отсутствовать. Проверяется это либо по напряжению на резисторе R10, либо по току микроамперметра, включенного вместо этого резистора или резистора R9.

     Тестирование амплитудного детектора с ООС на реальном сигнале

Чтобы проверить качество работы такого амплитудного детектора, а также повторяемость его характеристик, по приведенной на рис.2 схеме были изготовлены четыре модуля на двухсторонних печатных платах с установленными на них элементами поверхностного монтажа, как показано на фото 1:

Фото 1. Четыре модуля амплитудного детектора с ООС.

Схема включения модуля амплитудного детектора и подключения измерительных приборов приведена на рис.3:

Рис.3. Схема проведения измерений при определении характеристик амплитудного детектора с ООС.

В качестве источника высокочастотного сигнала использовался ВЧ-генератор Г4-158. Высококачественный амплитудный модулятор этого генератора обеспечивает формирование амплитудно-модулированного сигнала с коэффициентом нелинейных искажений не более 1%.

Синусоидальный сигнал звуковой частоты на вход АМ-модулятора генератора Г4-158 подавался с внешнего генератора сигналов низкой частоты Г3-118, который также отличается качеством выходного сигнала с очень низким уровнем нелинейных искажений.

Уровень высокочастотного сигнала на входе амплитудного детектора контролировался милливольтметром Ф5303.

Выходной сигнал амплитудного детектора с резистора R10 (контакт XT4) поступал на пассивный RLC-фильтр нижних частот 2-го порядка (Бесселя) с частотой среза около 11 кГц. Низкочастотный сигнал с выхода фильтра усиливался затем усилителем на операционном усилителе OPA134PA. Уровень вносимых таким ОУ нелинейных искажений также очень мал, коэффициент нелинейных искажений не превышает 0,005%.

Уже к выходу усилителя подключались либо автоматический измеритель нелинейных искажений С6-11, либо осциллограф С1-79, либо цифровой вольтметр В7-34.

Тестирование амплитудного детектора проводилось амплитудно-модулированным сигналом с частотой несущей 465 кГц (стандартная промежуточная частота советских радиоприёмников), частотой модулирующего сигнала (огибающей) равной 1кГц и глубиной модуляции 30%. Работу амплитудного детектора иллюстрируют осциллограммы на фото 2 и фото 3.

На фото 2 приведены осциллограммы сигнала на выходе XT4 при среднеквадратичном напряжении сигнала на входе 0,6 В (а) и 0,04 В (б) и отсутствии модуляции:

Фото 2. Сигнал на выходе амплитудного детектора (точка XT4):
а) U_вх. = 600 мВ (RMS), 200 мВ/дел.;
б) U_вх. = 40 мВ (RMS), 20 мВ/дел.

На фото 3 показана осциллограмма выходного сигнала при подаче на вход амплитудного детектора амплитудно-модулированного сигнала с уровнем несущей 0,5 В (RMS) и глубиной модуляции 30%:

Фото 3. АМ-сигнал после демодуляции амплитудным детектором, 200мВ/дел.

Продукт фильтрации RLC-фильтром нижних частот сигнала с выхода амплитудного детектора состоит из некоторой постоянной составляющей и переменного сигнала звуковой частоты. Величина постоянной составляющей пропорциональна амплитуде несущей входного амплитудно-модулированного сигнала, а сигнал звуковой частоты соответствует огибающей этого сигнала. Усилитель, подключенный к выходу фильтра нижних частот, усиливал обе эти составляющие.

     Технические характеристики амплитудного детектора с ООС

Проверка работы амплитудного детектора и измерение его характеристик проводилось, как уже было сказано выше, при подаче на вход детектора XT1 амплитудно-модулированного сигнала с частотой несущей 465 кГц, синусоидальной огибающей частотой 1 кГц и глубиной модуляции 30%. Коэффициент нелинейных искажений демодулированного сигнала измерялся при различных уровнях АМ-сигнала на входе амплитудного детектора.

Результаты измерений для всех четырёх модулей амплитудного детектора с ООС получились следующими:

            Таблица 1

Параметр	Уровень АМ-сигнала на входе (RMS)
	10 мВ	30 мВ	100 мВ	500 мВ
Уровень выходного НЧ-сигнала (RMS)	0,47 мВ	2,16 мВ	8,24 мВ	45,0 мВ
Коэффициент нелинейных искажений, не более	1,60%	2,00 %	0,70 %	0,43 %

Указанный уровень демодулированного сигнала звуковой частоты приведен ко входу оконечного усилителя измерительной схемы, представленной на рис. 3. Коэффициент усиления этого усилителя устанавливался равным 51 при малом сигнале (до 150 мВ) и равным 6 при большом (свыше 150 мВ).

Зависимость коэффициента нелинейных искажений от уровня входного сигнала при одной и той же глубине модуляции представлена диаграммой на рис.4. И эта зависимость имеет ярко выраженный максимум при входном сигнале около 20 мВ.

Рис.4. Зависимость коэффициента нелинейных искажений
от уровня несущей при глубине модуляции 30%.

С целью объяснить такое поведение амплитудного детектора была построена его передаточная характеристика как зависимость постоянного напряжения на выходе пассивного RLC-фильтра нижних частот (см. схему на рис.3) от амплитуды немодулированного сигнала на входе детектора. Эта зависимость в упрощённом виде, то есть без привязки к конкретным значениям, приведена на рис.5.

Рис.5. Передаточная характеристика амплитудного детектора с ООС.

Передаточная характеристика на диаграмме представлена голубой линией. Интервал значений входного напряжения, на котором передаточная характеристика практически линейна, начинается с 20 мВ (RMS) и простирается до 1В (RMS). На этом интервале входных напряжений была построена аппроксимирующая прямая (красная линия на диаграмме). Аппроксимирующая прямая была построена методом наименьших квадратов, среднеквадратичное отклонение прямой от снятой по приборам характеристики у всех четырёх изготовленных модулей амплитудного детектора с ООС не превышало 0,0055 или 0,55%. Это значение вполне соотносится с приведенными в табл.1 результатами измерений коэффициента нелинейных искажений. Такое малое значение среднеквадратичного отклонения в таком широком диапазоне входных напряжений подтверждает высокую линейность амплитудного детектора  с глубокой отрицательной обратной связью .

Если сопоставить показанную на рис.5 передаточную характеристику амплитудного детектора с приведенной на рис.4 зависимостью, то для ярко выраженного максимума коэффициента нелинейных искажений при уровне входного сигнала около 20 мВ очевидным становится следующее объяснение. Поскольку у передаточной характеристики амплитудного детектора заканчивается её нелинейный участок и начинается линейный при достижении уровня несущей 20 мВ, то здесь верхняя полуволна огибающей амплитудно-модулированного сигнала «проецируется» в выходной сигнал линейным участком передаточной характеристики, а нижняя – нелинейным. Из-за такой асимметрии в выходном сигнале вырастает уровень чётных гармоник, что в совокупности с нечётными гармониками и приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений. При уровне несущей выше 50 мВ и глубине модуляции до 50% нелинейный участок передаточной характеристики никак не затрагивает огибающую и детектирование происходит на линейном участке, соответственно нелинейные искажения уменьшаются.

     Где в схеме отрицательная обратная связь

Отрицательную обратную связью в амплитудном детекторе и по совместительству двухтактном усилителе класса B, схема которого представлена на рис.2, создаёт подача сигнала с точки соединения коллекторов транзисторов VT3 и VT4 и резистора R11 в эмиттеры правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2. Поскольку весь восстановленный на нагрузке (резистор R11) сигнал подается в эмиттеры указанных транзисторов входного каскада, то отрицательная обратная связь в данном случае является 100-процентной и двухтактный усилитель класса B работает как повторитель напряжения входного сигнала.

Отрицательная обратная связь имеет смысл лишь когда коэффициент петлевого усиления в охваченном отрицательной обратной связью усилителе много больше единицы [3]. Чтобы проверить коэффициент петлевого усиления в нашей схеме разорвём цепь отрицательной обратной связи как показано на рис.6:

Рис.6. Разрыв цепи отрицательной обратной связи для измерения петлевого усиления.

В данном случае цепь отрицательной обратной связи оказывается разорванной по переменной составляющей (конденсатор C блокирует попадание сигнала в эмиттеры входных транзисторов), но оставлена по постоянной составляющей (резистор R) чтобы не нарушать режим работы транзисторов. Теперь чтобы определить  коэффициент петлевого усиления достаточно измерить коэффициент усиления по напряжению усилителя с разорванной ООС. Для этого на вход схемы был подан очень малый сигнал и был измерен сигнал на выходе двухтактного усилителя класса B (на резисторе R11). Значение коэффициента во всех случаях было больше 100, что и является глубиной обратной связи в представленном амплитудном детекторе.

     Заключение

В заключение необходимо отметить, что нелинейные искажения, вносимые представленным здесь амплитудным детектором с отрицательной обратной связью, возможно, ещё меньше, чем были измерены измерительными приборами. Ведь измеренные значения коэффициента нелинейных искажений и среднеквадратичное отклонение аппроксимирующей прямой от передаточной характеристики оказались в несколько раз меньше значений максимальной погрешности использованных измерительных приборов, указанных в прилагаемой к ним технической документации.

Литература:

1. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.44;
2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.42;
3. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.72.

sezador.radioscanner.ru

Детектор (радиотехника) — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Детектор. Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя Схема АМ детектора с закрытым входом или параллельного детектора Принципиальная схема простого лампового демодулятора

Детектор, демодулятор (фр. demodulateur) — элемент электрической цепи, в котором происходит обнаружение электромагнитных колебаний. Детекторы могут работать в инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых и радиодиапазонах.^[1][2]Детектирование происходит отделением полезного (модулирующего) сигнала от несущей составляющей^[3].

Детектор радиоприёмного устройства, или демодулятор, восстанавливает информацию из радиосигнала, заложенную в него модулятором. Например, приём радио- или телепередач возможен за счёт демодуляции высокочастотного сигнала, поступившего на антенну устройства.

Демодулятор, в случае амплитудной модуляции (АМ), в простейшем случае может быть диодом или другим нелинейным элементом.

При частотной модуляции (ЧМ) применяется специальный каскад.

Важной функцией демодулятора цифрового сигнала является восстановление тактовой частоты передаваемого потока символов.

Демодуляторы, способные принимать сигналы, модулированные любыми способами (включая сложные сигналы типа КАМ256 или OFDM, применяющиеся при радиопередаче цифровой информации), называются векторными.

В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.

Простейший диодный АМ детектор[править | править код]

Демодулятор амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов резистора и конденсатора выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты. При превышении амплитуды полупериодов несущей выше напряжения на конденсаторе диод открывается, и конденсатор заряжается; при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе диод закрывается, и конденсатор разряжается; тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал.

При демодуляции сигнала звуковых частот (20‑20 000 Гц) как правило, применяется кремниевый или германиевый диод и конденсатор ёмкостью порядка 10‑47 нФ.

Рассмотренная схема диодного АМ детектора получила название детектор с открытым входом. Вход назван открытым потому, что постоянная составляющая амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала (при её наличии) беспрепятственно проходит на нагрузку детектора.

Если же поменять местами диод и конденсатор, получится детектор с закрытым входом или параллельный детектор, не пропускающий постоянную составляющую на нагрузку. По такой схеме строятся детекторные головки (ВЧ-пробники) для измерения переменного напряжения радиочастотного диапазона с помощью вольтметра постоянного тока.

1. ↑ Детектирование//Энциклопедия современной техники. Автоматизация производства и промышленная электроника. Том 1 (А – И) —М.: Советская энциклопедия, 1962
2. ↑ Детектор//Энциклопедия современной техники. Автоматизация производства и промышленная электроника. Том 1 (А – И) —М.: Советская энциклопедия, 1962
3. ↑ Словарь по кибернетике / Под ред. академика В. С. Михалевича. — 2-е. — Киев: Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии имени М. П. Бажана, 1989 год. — 751 с. — (С48). — 50 000 экз. — ISBN 5-88500-008-5.

ru.wikipedia.org

8.5 Амплитудные детекторы в режиме детектирования сильных сигналов

При детектировании сигналов с амплитудой в детекторную характеристику можно представить в виде кусочно-линейной функции. В этом случае процесс детектирования можно пояснить с помощью эпюр напряжения, представленных на рис. 8.5.

Согласно рис. 8.5, выпрямленное напряжение на выходе детектора можно определить следующим образом:

.

(8.8)

С учетом этого коэффициент передачи детектора при детектировании сильных сигналов равен

.

(8.9)

Угол  не зависит от U₀ и, следовательно, эффекты детектирования по току и напряжению пропорциональны амплитуде входного напряжения. Уравнением детекторной характеристики является прямая с угловым коэффициентом, равным cos. Это дает основание называть детектор сильных сигналов линейным детектором. Однако, следует отметить, что по принципу действия «линейный детектор» сугубо нелинейное устройство с гораздо более выраженной нелинейностью, чем у квадратичного детектора.

Угол отсечки определяется по формуле:

,

(8.10)

где S – крутизна диодной характеристики, R – нагрузка детектора.

Если на детектор подается АМ–сигнал, а сам детектор линеен и безынерционен по отношению к огибающей, то

.

(8.11)

Рис. 8.5. Эпюры напряжений при детектировании сигналов сильной амплитуды

Отсюда

.

(8.12)

С учетом этого коэффициент передачи амплитудного детектора при детектировании АМ–колебания определяется выражением

.

(8.13)

Таким образом, идеальный безынерционный детектор не создает нелинейных искажений огибающей, так как его коэффициент передачи постоянен и равен cos. Величина коэффициента передачи детектора может быть очень близкой к единице при достаточно большом произведении SR. Это приводит к тому, что в современных приемниках применяют, как правило, режим детектирования сильных сигналов.

Входное сопротивление детектора в этом режиме определяется по формуле:

.

(8.14)

При короткозамкнутом детекторе (R=0, =/2) входное сопротивление в режиме короткого замыкания равно:

,

(8.15)

где R_i — внутренне сопротивление диода.

При большом сопротивлении нагрузки ()и входное сопротивление детектора определяется выражением:

.

(8.16)

Выше приведенные соотношения получены при условии неподвижности рабочей точки диода при подаче напряжения U_вх, т.е. .

В реальных условиях значение С_н ограничено, что приводит к снижению коэффициента передачи детектора и углублению пульсаций выходного напряжения.

При изменении С_н от бесконечности до 0 при достаточно большом произведении SR коэффициент передачи детектора изменяется от 1 до 0,3. При выборе величины емкости нагрузки детектора необходимо, чтобы выполнялось условие , т.е. емкость нагрузки должна быть намного больше проходной емкости диода.

8.6 Искажения сигнала при детектировании

При детектировании сильных сигналов возможны два вида искажений:

– частотные искажения, связанные с неправильным выбором постоянной времени цепи нагрузки детектора;

– нелинейные искажения, обусловленные переходным конденсатором на выходе амплитудного детектора.

Остановимся на частотных искажениях, связанных с неправильным выбором постоянной времени цепи нагрузки детектора.

На рис. 8.6 представлен эпюр детектирования амплитудно–модулированного сигнала. Из представленного эпюра видно, что основные искажения сигнала наблюдаются при разряде конденсатора нагрузки в тот момент, когда напряжение огибающей меньше, чем напряжение на конденсаторе нагрузки U_c.

Для уменьшения частотных искажений необходимо уменьшать постоянную времени цепи нагрузки детектора . Для АМ–сигналов с глубиной модуляции m и частотой модуляции  условие безынерционности цепи нагрузки детектора записывается следующим образом:

,

(8.17)

где  – частота модуляции.

Рис. 8.6. Эпюр детектирования амплитудно–модулированного сигнала

Для достижения большего коэффициента передачи необходимо выбирать сопротивление нагрузки R как можно больше. Однако величина R ограничена допустимым минимальным значением емкости нагрузки (величина емкости нагрузки должна быть намного больше величины проходной емкости диода).

Рассмотрим второй вид искажений. Этот тип искажений связан с введением разделительного конденсатора между детектором и первым каскадом усиления низкой частоты. Принципиальная схема детектора для этого случая приведена на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Принципиальная схема детектора

Если выходное напряжение детектора подается на следующий каскад через разделительную емкость С_Р, то заряд этой емкости может привести к запиранию диода детектора и при этом прекращается процесс детектирования. Емкость разделительного конденсатора С_Р выбирается достаточно большой, чтобы снизить частотные искажения сигнала в области низких частот. Поэтому этот вид искажений не зависит от частоты модуляции (так как запирающее действие проявляется для всех модулирующих частот). Очевидно, что запирающее действие напряжение на разделительном конденсаторе будет проявляться, начиная с определенного значения коэффициента модуляции. Сигнал с искажениями такого рода представлен на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Сигнал с искажениями

Связано это с тем, что сопротивление детектора по постоянному и переменному току различно. При этом полное сопротивление нагрузки для токов модулирующих частот равно , гдеR_Р – сопротивление цепи справа от разделительного конденсатора (входное сопротивление усилителя низкой частоты). В то же время сопротивление детектора для постоянного тока равно сопротивлению нагрузки . Следовательно, сопротивление нагрузки детектора для переменной и постоянной составляющих различны, при чем последняя больше, т.е..

Амплитуда тока низкой частоты

.

(8.18)

Через резистор R проходит постоянная составляющая тока

.

(8.19)

Отсечка тока через диод наступает тогда, когда .

Исходя из этого, предельное значение коэффициента модуляции, при котором наблюдаются искажения сигнала можно определить следующим образом:

(8.20)

или

.

(8.21)

Поскольку обычно m = 0,8  0,9 то выполнение приведенных выше соотношений может оказаться затруднительным, особенно при использовании транзисторных усилителей с малым входным сопротивлением.

Следовательно, для того чтобы уменьшить искажения этого типа необходимо на выходе детектора ставить усилительные каскады с большим входным сопротивлением (например, на полевых транзисторах или лампах, либо в качестве первого каскада применять эмиттерный повторитель с большим входным сопротивлением).

Для уменьшения указанных искажений в усилителях на биполярных транзисторах, кроме того, можно использовать высокоомный делитель напряжения после разделительного конденсатора, выходной сигнал с которого снимается с низкоомного плеча. В этом случае можно пренебречь влиянием низкого входного сопротивления усилительного каскада на биполярных транзисторах. Однако более предпочтительным является применение детекторов с разделенной нагрузкой (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Принципиальная схема детектора

В этом случае нагрузка по постоянному току состоит из двух сопротивлений R_н1 и R_н2. Продетектированный сигнал на вход УНЧ снимается с сопротивления R_н2. При этом разделительный конденсатор заряжается до значительно меньших напряжений и влияние его запирающего действия резко уменьшается. Однако деление нагрузки АД приводит к уменьшению коэффициента передачи детектора, так как продетектированное напряжение, подаваемое на следующий каскад, снимается не со всего резистора нагрузки. Конденсатор нагрузки состоит из двух конденсаторов С_н1 и С_н2. и с учетом их включения обеспечивает лучшую фильтрацию для промежуточной частоты.

studfile.net

Амплитудный детектор с малыми искажениями

   В данной статье приводится схема детектора АМ сигналов на транзисторе. Детекторы собранные по данной схеме отличаются значительно меньшими нелинейными искажениями АМ сигнала, чем традиционные ( например диодные ).

  Принципиальная схема детектора приведена на Рис.1. Элементы С1, L1, L2 ( выходной контур УПЧ приёмника ) и R2C3 ( нагрузка ) имеются и в обычном диодном детекторе. Функции детектирующего элемента выполняет транзистор VT1. По высокой частоте его база соединена с коллектором через конденсатор С2, т.е. детектор полностью эквивалентен диодному. Постоянная составляющая тока детектора обеспечивает работу транзистора VT1 в активном режиме. По низкой частоте детекторный каскад охвачен глубокой ООС. Напряжение ООС снимается с коллектора транзистора VT1 и через конденсатор С2 подаётся на его базу. 
 На Рис.2 и 3 приведены зависимости коэффициентов гармоник (Кг) от глубины модуляции (m) для предлагаемого детектора ( кривые 2 ) и диодного детектора ( кривые 1 ), полученного при исключении из схемы элементов R1C2 и соединении базы и коллектора транзистора VT1. Зависимости, приведённые на Рис.2, получены при использовании германиевого транзистора и амплитуде сигнала несущей на транзисторе VT1 равной 0,6 В, а на Рис.3 – при использовании кремневого транзистора и амплитуде сигнала несущей частоты 1 В.   

   Из приведённого графика видно, что применение такого детектора позволяет снизить коэффициент гармоник в два-три раза, причём при глубине модуляции менее 0,5 коэффициент гармоник не превышает 2%.
   Простота данного устройства позволяет использовать его для доработки готовых радиоприёмных трактов. Для этого достаточно вместо детекторного диода установить элементы VT1, R1, C2.

Автор: И. Гончаренко, «РАДИО» №1, 1991 г., стр 53

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

Автор: Андрей Маркелов

Родился и вырос в Тульской области. После окончания средней школы поступил и закончил «Донской Техникум Механизации учёта» по специальности «техник-электромеханик», потом учился в МИРЭА. С детства увлекаюсь радиотехникой. В данный момент работаю в одном ООО, выпускающей импульсные источники питания различного применения. Посмотреть все записи автора Андрей Маркелов

admarkelov.ru