АМПЛИТУДНЫЙ И ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОРЫ

В амплитудном детекторе осуществляется выделение огибающей амплитудно-модулированного сигнала с одновременным устранением несущего колебания. Роль несущих колебаний могут выполнять как гармонические колебания, так и последовательности радио- или видеоимпульсов.

В частотном детекторе выделяется низкочастотная модулирующая частота из частотно-модулированного сигнала.

В состав любого детектора входит нелинейный элемент для образования спектральных компонент, соответствующих модулирующей частоте, и линейный фильтр, для выделения компонент, соответствующих спектру модулирующих частот, и устранения компонент, соответствующих спектру несущего колебания и его гармоник. Таким образом, функциональная схема детектора может быть представлена в виде последовательно соединенных нелинейного элемента и фильтра нижних частот. В качестве нелинейных элементов используют полупроводниковые диоды, а также биполярные и полевые транзисторы. Роль фильтра, как правило, выполняет цепь, состоящая из резистора и шунтирующей его емкости. В настоящее время элементы детектора чаще реализуют в одной микросхеме.

На рис.1 показана схема последовательного амплитудного детектора, а на рис.2 - параллельного детектора.

Схема параллельного амплитудного детектора дополнена фильтром нижних частот

Рис.1. АД последовательного типа Рис.2. АД параллельного типа

Свойства детекторов принято характеризовать следующими показателями:

где

- прирост постоянного напряжения на нагрузке R по сравнению с напряжением покоя

, вызванного приложением к входу детектора немодулированного колебания с амплитудой

;

- амплитуда выходного напряжения модуляционной частоты

;

- амплитуда изменения огибающей входного модулированного сигнала.

Реактивная составляющая входного сопротивления обычно является емкостной, она легко находится из схем детектора и компенсируется настройкой входного контура. Поэтому аналитически обычно рассчитывается активное входное сопротивление детектора

Здесь

- амплитуда первой гармоники входного тока детектора.

3. Выходное сопротивление детектора, обычно также рассчитывается активная составляющая сопротивления

4. Частотные и фазовые искажения огибающей характеризуются, как и для усилителей, значениями нижней и верхней граничных частот и отклонениями фазовой характеристики от касательной к ней в точке

на граничных частотах.

5. Нелинейные искажения оцениваются по величине коэффициента нелинейных искажений

где

- мощности гармонических составляющих частот модуляции;

- мощность выходного сигнала на частоте модуляции.

6. Коэффициент подавления несущего колебания

где

- амплитуда несущего колебания на выходе детектора.

Величина коэффициента подавления зависит от схемы детектора, параметров фильтра, вида и режима работы нелинейного элемента.

Все качественные показатели детектора зависят в общем случае от амплитуды подаваемых на него колебаний, поэтому принято рассматривать отдельно детектирование слабых и сильных сигналов. Для этих двух режимов разработаны достаточно точные аналитические методы расчета амплитудных детекторов. При этом само понятие "слабого" или "сильного" сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.

При поступлении на вход детектора "слабых" сигналов говорят, что имеет место режим квадратичного детектирования. Коэффициент передачи квадратичного детектора

где S, S' - крутизна B/A характеристики диода и ее производная кривизна в точке U=0.

Коэффициент передачи зависит от амплитуды входного сигнала, имеет малую величину и чем меньше амплитуда,

тем менее эффективно детектирование. Напряжение на выходе детектора пропорционально квадрату входного напряжения

Другими существенными недостатками квадратичного режима являются значительные нелинейные искажения модулирующего сигнала (достигающие величины m/4) и низкое входное сопротивление детектора

В режиме линейного детектирования (сильный сигнал) коэффициент передачи детектора практически не зависит от амплитуды входного сигнала, а определяется углом отсечки тока, текущего через диод

Работа детектора описывается трансцендентным уравнением

которая решается графически или подбором. При увеличении SR угол отсечки

. При SR30

. В случае, если есть необходимость учета обратного сопротивления диода, то

Угол отсечки увеличивается, а коэффициент передачи детектора уменьшается. Входное сопротивление последовательного линейного амплитудного детектора определяется выражением

а при малых углах отсечки

, для параллельного детектора

Элементы нагрузки детектора рассчитываются исходя из условий его безынерционной работы и отсутствия искажений, обусловленных разностью величины нагрузки по постоянному току и токам модулирующей частоты.

Эквивалентная емкость нагрузки рассчитывается из двух условий. Из условия отсутствия нелинейных искажений при максимальном (критическом) коэффициенте модуляции

и максимальной частоте модуляции

вследствие инерционности детектора.

где

- динамическое внутреннее сопротивление детектора,

- коэффициент частотных искажений на

(обычно

= 1,05 - 1,2).

Из двух значений С, полученных выше, выбирают меньшую величину. Обычно при выполнении первого условия (безынерционности детектора) обеспечивается и выполнение второго условия малости частотных искажений. Следует помнить, что с уменьшением С ухудшается фильтрация напряжения промежуточной частоты, которое проходит на выход детектора.

Для увеличения входного сопротивления амплитудного детектора, уменьшения нелинейных искажений при детектировании и увеличения коэффициента фильтрации сигнала промежуточной частоты часто идут на уменьшение коэффициента передачи детектора, применяя разделенную нагрузку в виде делителя из двух резисторов

, как это показано на рис.3

где

- входное сопротивление каскаде УНЧ, подключаемого к выходу детектора. Тогда

= R-

. Емкости нагрузки детектора определяются из соотношений

где Свх - входная емкость УНЧ;

- емкость монтажа со стороны входа УНЧ. Коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты

где

- сумма емкости диода и емкости монтажа цепи диода.

где

- коэффициент передачи детектора с учетом разделения нагрузки

Для частотного детектирования ЧМ колебание преобразуется в колебание, модулированное на амплитуде, фазе или в импульсно-модулированное колебание, с последующим применением амплитудного, фазового или пикового детекторов.

На рис.4 представлена схема балансного частотного детектора с фазовым преобразованием вида модуляции, выполненного на основе двухконтурного полосового фильтра L1C2 и L2C6 и двух амплитудных детекторов VD1,R,C и VD2,R,C [1.3]

Транзистор VT1 обычно работает в режиме амплитудного ограничителя. Его рабочая точка и температурная стабилизация обеспечиваются резисторами R1,R2 и R3.

Расчет преобразователя вида модуляции проводят по заданному значению допустимых нелинейных искажений К_г модулирующего сигнала. Наименьшие нелинейные искажения соответствуют значению фактора связи между контурами

= 2...3. Наибольшая крутизна детекторной характеристики обеспечивается при

= 1.

В табл.1 приведены величины К_г и соответствующих им коэффициентов использования полосы пропускания частотного детектора

(где

- максимальная девиация частоты,

полоса пропускания ЧМ детектора, определяемая разностью частот между экстремумами статической характеристики детектора) и отношений

, где

- рабочий и максимально возможный при

коэффициенты передачи преобразователя модуляции.

По допустимому значению коэффициента гармоник

следует найти максимальное отношение

, что определяет B и

. Для выбранного значения В вычисляется полоса пропускания частотного детектора

. Зная

, можно рассчитать требуемую эквивалентную добротность связанных контуров

- и коэффициент связи между контурами

Входное сопротивление частотного детектора, обеспечивающее требуемое эквивалентное затухание второго контура при полном подключении к нему детектора, определяется выражением

Коэффициент подключения транзистора ограничителя к первому

Сопротивления нагрузки детектора R определяются формулой

Емкости, шунтирующие R, вычисляется по формуле

где

0.5 – максимальный коэффициент модуляции сигнала на выходе АМ детектора.

Угол отсечки тока диодов АМ детектора, как и в предыдущем случае, находится по формуле

Крутизна характеристики АМ детектора и его внутреннее сопротивление равны

Коэффициент передачи детектора АМ сигналов

Тогда коэффициент передачи детектора ЧМ сигналов (без учета коэффициента передачи ограничителя) будет равен

где

- эквивалентное сопротивление контура преобразователя модуляции.

- обобщенная расстройка, соответствующая максимальной девиации частоты.

Величину емкости С вычисляют по формуле

. Индуктивность дросселя должна быть примерно в 10 раз больше индуктивности контурных катушек.

Амплитудно-частотная характеристика ЧД с учетом ограничителя определяется выражением

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

, %		0.2	0.6	1.0	1.4	2.0	3.0	4.0	5.0
		0.005	0.015	0.025	0.035	0.042	0.067	0.085	-
	B	0.15	0.27	0.35	0.41	0.47	0.58	0.67	-
		0.07	0.12	0.17	0.21	0.25	0.3	0.33	0.36
	B	0.35	0.48	0.56	0.62	0.68	0.76	0.82	0.87
		0.02	0.07	0.59	0.61	0.63	0.66	0.67	0.69
	B	0.15	0.32	0.87	0.89	0.9	0.9	0.9	0.9