На операционном усилителе

Рисунок 5.2 – Последовательный диодный детектор

Принцип работы детектора можно рассматривать, исходя из временных или спектральных представлений.

На рисунке 5.3 показан немодулированный входной сигнал детектора и напряжение на нагрузке детектора.

Рисунок 5.3 – Напряжения на входе и выходе амплитудного детектора

В положительный полупериод входного сигнала диод открыт, конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода. Постоянная времени заряда . В отрицательный полупериод входного сигнала диод закрыт, конденсатор медленно разряжается через относительно большое сопротивление нагрузки. Постоянная времени разряда . Чем больше постоянная разряда по сравнению с постоянной заряда, тем меньше пульсации выходного напряжения с частотой несущей входного сигнала. В идеальном случае постоянной амплитуде входного сигнала должно соответствовать постоянное напряжение на нагрузке.

Для определения детекторной характеристики и коэффициента передачи детектора воспользуемся спектральными представлениями.

В режиме детектирования сильного сигнала можно воспользоваться грубой линейно-ломаной аппроксимацией вольтамперной характеристики диода, представленной на рисунке 5.4,

, (5.1)

где S – крутизна нарастающего участка вольтамперной характеристики.

Из схемы детектора видно, что к диоду прикладываются паременное напряжение входного сигнала с амплитудой и напряжение на нагрузке , которое является подзапирающим для диода. Из рисунка 5.4 следует, что

. (5.2)

Рисунок 5.4 – Вольтамперная характеристика диода и временные диаграммы вход

ного напряжения и тока диода в режиме детектирования сильного сигнала

Подставляя последнее соотношение в (5.1), получим

Используя последнее соотношение, определим постоянную составляющую тока диода

Напряжение на нагрузке равно

.

Используя наряду с последним соотношением выражение для из (5.2), получим трансцендентное уравнение для определения угла отсечки

.

Из него видно, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала, следовательно, в режиме детектирования сильного сигнала детекторная характеристика (5.2) диодного детектора линейна, а его коэффициент передачи равен

. (5.3)

При малых значениях угла отсечки он равен

.

Таким образом, чем больше произведение крутизны диода и сопротивления нагрузки, тем ближе коэффициент передачи к единице.

5.2.2.Последовательный диодный детектор в режиме детектирования слабых сигналов

На рисунке 5.5 приведена вольтамперная характеристика диода, которая описывается однозначной функцией напряжения, приложенного к диоду. Функция не имеет точек разрыва

5.5 – Реальная вольтамперная характеристика диода

Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности точки по степеням приращения этого напряжения

, (5.4)

где .

Первая производная функции при является крутизной вольтамперной характеристики в начале координат S, а вторая производная функции – первая производная крутизны .

Подставляя выражение для в (5.4) с учетом введенных обозначений, получим

выделим постоянную составляющую тока i

.

Так как

. (5.5)

Последнее соотношение описывает детекторную характеристику. Из него видно, что в режиме детектирования слабых сигналов детекторная характеристика квадратична. Этот вывод относится и к другим видам амплитудных детекторов.

5.2.3. Эмиттерный детектор

Принципиальная схема детектора приведена на рисунке 5.6. По принципу работы этот детектор подобен последовательному диодному детектору, т.к. переход база-эмиттер можно рассматривать как эквивалентный диод. Однако имеется одно существенное отличие: входной ток – ток базы- существенно меньше тока, протекающего через нагрузку – тока эмиттера. Последнее означает, что при одинаковых значениях сопротивления нагрузки в обоих детекторах входное сопротивление эмиттерного детектора значительно (примерно в раз) больше.

Рисунок 5.6 – Эмиттерный детектор

Базовый делитель R₁, R₂ с конденсатором С создают в цепи базы небольшое начальное смещение u₀, повышающее эффективность детектирования, как это показано на рисунке 5.7

Рисунок 5.7 – Смещение рабочей точки вольтамперной характеристики транзистора

напряжением u₀

5.2.4. Диодный детектор с удвоением напряжения

Диодный детектор с удвоением напряжения (рисунок 5.8) содержит два диода V₁ и V₂, которые по переменному току включены параллельно, а по постоянному току последовательно, резистор нагрузки R_н и два конденсатора нагрузки C_н1 и С_н2.

Рисунок 5.8 – Диодный детектор с удвоением напряжения

В положительный полупериод входного напряжения V₁ открыт, а V₂ закрыт. Конденсатор С_н1 быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода V₁ до напряжения примерно равного амплитуде входного напряжения. В отрицательный полупериод входного напряжения V₁ закрыт, а V₂ открыт. Конденсатор C_н2 быстро заряжается через малое сопрнотивление V₂ под действием суммы напряжений на входе и на конденсаторе С_н1. Поэтому С_н2 заряжается примерно до величины, равной удвоенной амплитуде входного сигнала.

На рисунке 5.9 приведена вольтамперная характеристика диода V₁ и временная диаграмма напряжения, приложенного к этому диоду.

Рисунок 5.9 – Вольтамперная характеристика диода V₁ и временная диаграмма на

пряжения, приложенного к этому диоду

Из принципиальной схемы детектора следует, что к каждому диоду прикладывается половина постоянного напряжения на нагрузке, а из рисунка 5.9 видно, что

.

Следовательно,

.

Все рассмотренные выше амплитудные детекторы являются нелинейными детекторами, т.к. результат детектирования обусловлен нелинейностью волтамперной характеристики детектирующего элемента.

5.2.4. Синхронный амплитудный детектор на операционном усилителе

Функциональная схема детектора приведена на рисунке 5.10. Она отличается от схемы преобразователя частоты на операционном усилителе (рисунок 4.2) тем, что управление электронным ключом осуществляется последовательностью прямоугольных импульсов, полученных путем преобразования входного сигнала, т.е. осуществляется с частотой несущей входного сигнала.

Рисунок 5.10- Функциональная схема синхронного амплитудного детектора

на операционном усилителе

В результате положительному полупериоду входного напряжения соответствует мгновенный коэффициент передачи операционного усилителя, равный 1, а отрицательному – коэффициент передачи, равный –1. В результате на выходе операционного усилителя получается пульсирующий сигнал u, совпадающий с положительными полупериодами и инвертированными отрицательными полупериодами входного сигнала, как это показано на рисунке 5.11. Этот сигнал сглаживается фильтром нижних частот. В результате выходное напряжение u_вых повторяет закон изменения амплитуды входного сигнала.

Рисунок 5.11 – Временные диаграммы напряжений на входе и выходе синхронного

амплитудного детектора

Мгновенный коэффициент передачи изменяется синхронно с входным сигналом, поэтому данный детектор называется синхронным.

Лекция 11. Амплитудные ограничители и фазовые детекторы

Тема 5. Детекторы

5.3. Амплитудные ограничители

5.3.1. Назначение и амплитудная характеристика амплитудного ограничителя

Амплитудный ограничитель предназначен для поддержания постоянства амплитуды выходного напряжения при изменяющейся амплитуде входного сигнала.

Амплитудной характеристикой амплитудного ограничителя (характеристикой ограничения) называется зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала.

Типичная характеристика ограничения представлена на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12- Амплитудная характеристика амплитудного ограничителя

На начальном участке характеристики при амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональна амплитуде входного напряжения. При дальнейшем увеличении амплитуда выходного напряжения изменяется в небольших пределах. В идеальном случае она должна быть постоянной. Амплитуда входного напряжения , при превышении которой каскад входит в режим ограничения, называется порогом ограничения.

5.3.2. Двусторонний амплитудный ограничитель

На рисунке 5.13 показан трехтранзисторный дифференциальный каскад. На транзисторе V₃ собран генератор стабильного тока, ток которого I перераспределяется между транзисторами V₁ и V₂ под действием напряжения u, действующего на дифференциальном входе между базами V₁ и V₂. Дифференциальный вход является входом ограничителя. Резонансная нагрузка- одиночный колебательный контур- включена в коллекторную цепь V₂.

На рисунке 5.14 показана зависимость выходного тока i от напряжения на дифференциальном входе и временные диаграммы входного напряжения и выходного тока при разных значениях амплитуды входного напряжения.

При u = 0 ток генератора стабильного тока распределяется поровну между транзисторами V₁ и V₂. При увеличении положительного значения напряжения u ток i уменьшается, достигая нулевого значения при . При уменьшении отрицательного напряжения u ток i увеличивается, достигая значения тока I при полностью закрытом транзисторе V₁. Это происходит при .

Из рисунка видно, что при амплитуде входного напряжения u < u₀ выходной ток изменяется по синусоидальному закону, а его амплитуда прямо пропорциональна амплитуде входного напряжения, т.е. каскад работает в режиме усиления.

Рисунок 5.13 – Двусторонний амплитудный ограничитель

Рисунок 5.14 – Зависимость выходного тока от напряжения на дифференциальном

входе и временные диаграммы входного напряжения и выходного тока

При u > u₀ и u < -u₀ имеет место отсечка тока с двух сторон. Выходной ток приобретает форму трапецеидальных импульсов, которые стремятся к прямоугольным по мере увеличения амплитуды входного напряжения, рост амплитуды первой гармоники этого тока замедляется.

В режиме ограничения амплитуда первой гармоники выходного тока изменяется от значения до значения , т.е в раз. В таких же пределах изменяется амплитуда выходного напряжения.

5.4. Фазовые детекторы

5.4.1. Назначение и детекторная характеристика фазового детектора

Фазовый детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения фазового сдвига входного сигнала относительно опорного колебания.

Детекторной характеристикой фазового детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от фазового сдвига между входным немодулированным сигналом и опорным колебанием, частота которого равна частоте входного сигнала.

Особенностью детекторной характеристики фазового детектора является ее периодичность. Период характеристики равен .

Типичной детекторной характеристикой является косинусоида.

.

5.4.2. Балансный диодный фазовый детектор

Принципиальная схема детектора приведена на рисунке 5.15.

Рисунок 5.15 – Балансный диодный фазовый детектор

Детектор имеет сигнальный вход и вход опорного колебания. Он состоит из двух последовательных амплитудных детекторов, нагрузки которых включены последовательно.

Постоянная составляющая тока диода V₁ создает на сопротивлении нагрузки напряжение . Постоянная составляющая тока диода V₂ создает на сопротивлении нагрузки напряжение .

Учитывая направления токов диодов, можно записать

.

Дата добавления: 2015-07-26