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_ct) – 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 2 ω_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 2 θ, 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_c cos ω_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) =cos q U_c [1+ m_ax (t)]= U_c cos q + m_aU_c x (t)cos q, (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 _УНЧиз 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_нr _g, (20)

где r _g – сопротивление диода в открытом состоянии.