Амплитудные детекторы. 
Общая теория связи

Рассмотрим процесс детектирования однотоналыюго AM-сигнала. На вход AM-детектора поступает высокочастотное модулированное колебание.

где ?/_вх(0 = U_nx( 1 + McosQf);

Выходное же напряжение амплитудного детектора должно быть низкочастотным (м_вых(0 = f/_lillxcosQ/), пропорциональным передаваемому сигналу. Эффективность работы AM-детектора оценивают коэффициентом детектирования, аналитически представляющим собой отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде огибающей входного АМ-сигнала:

В зависимости от амплитуды АМ-сигнала и степени нелинейности характеристики детекторного элемента возможны два режима детектирования: линейный (режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией характеристики) и квадратичный (работа при малых амплитудах на участке характеристики, описываемой полиномом второй степени).

Линейный диодный детектор.

При линейном режиме работы амплитудного детектора (рис. 5.15) амплитуды сигналов на входе и выходе связаны прямо пропорциональной зависимостью. На рис. 5.15, а показана схема аналогового последовательного диодного детектора, у которого диод VD включен последовательно с низкочастотным /?мСп-фильтром. Чтобы цепь нагрузки детектора эффективно отфильтровывала модулирующий сигнал и подавляла паразитные высокочастотные составляющие, необходимо выполнение неравенств.

Рис. 5.15. Последовательный диодный детектор:

а — схема; б — диаграммы напряжений Непременное условие хорошей работы детектора — сопротивление нагрузки должно быть значительно больше сопротивления диода в прямой проводимости.

Пусть на вход диодного детектора поступает амплитудно-модулированный сигнал u_BX(t) = U_BX(t)sinco₀t (рис. 5.15, б).

Ток через диод протекает в моменты времени, когда амплитуда входного напряжения и_вх превышает напряжение на конденсаторе С_п (а значит, и на выходе детектора и_вых). Конденсатор С_н заряжается через малое сопротивление открытого диода намного быстрее, чем разряжается на высокоомное сопротивление нагрузки R_H. Поэтому диод большую часть периода входного колебания закрыт, и амплитуда выходного напряжения близка к амплитуде входного. Для упрощения анализа положим, что на вход детектора подается достаточно большое гармоническое напряжение, при котором ВАХ диода можно аппроксимировать отрезками двух прямых линий (рис. 5.16, а). Как следует из рис. 5.16, б> амплитуды входного и выходного напряжений связаны простым соотношением [/_вых = ?/₀ = U_BXcos0.

В этом случае.

Рис. 5.16. Диаграммы к линейному детектору:

а — аппроксимация ВАХ; б — диаграммы выпрямленных тока и напряжения Постоянная составляющая тока амплитудного детектора в соответствии с формулой (5.8) равна /₀ = SU_Bj₀. Поэтому среднее значение выходного напряжения

Подставив в это соотношение cos0 из формулы (5.14) и у₍₎ из (5.9), получим трансцендентное уравнение (напомним, что в них неизвестное входит в аргумент):

Поделив обе части этого уравнения на cos0, запишем.

Из формулы (5.15) следует, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала и определяется произведением 57?_и, причем чем оно больше, тем меньше угол отсечки. Как правило, SR_n 1, поэтому 0 близок к нулю. Из математики известно, что при малых параметрах (в данном случае — углах) 0 имеет место равенство tg0 = 0 + 0³/3. Приняв это во внимание, из соотношения (5.15) получим

Входное сопротивление последовательного детектора. Колебание, подаваемое на AM-детектор, снимают с резонансного УПЧ приемника. При этом контур УПЧ шунтируется низким входным сопротивлением детектора, что приводит к уменьшению его добротности и расширению полосы пропускания (ухудшению избирательности). Определим входное сопротивление последовательного детектора AM-сигнала. Для этого положим, что угол отсечки мал и поэтому cos0 = 1 и U_HX = U₀. Мощность гармонического сигнала, подводимая к детектору, Р_вх= 0,5U²_BX/R_BX, где R_BX — его искомое входное сопротивление. Мощность, выделяемая на нагрузке детектора, Р_и = Ul/R_n. Так как сопротивление диода в прямом направлении близко к нулю, то входная мощность выделяется на нагрузке (Р_и = Р_пх) и поэтому Uq/R_u = 0,5U²_BX/R_BX. Отсюда входное сопротивление R_BX = RJ2.

Принцип действия последовательного детектора можно распространить на любые амплитудные детекторы, имеющие НЭ с односторонней проводимостью.

Пример 5.4.

AM-сигнал м_ам(?) = 5(1 + 0,8cosQ?)cosco₀? подан на вход линейного диодного детектора. Сопротивление нагрузки детектора R_H = 20 кОм, а крутизна характеристики диода 5=15 мА/В. Определим амплитуду выходного сигнала.

Решение

Поскольку значение параметра SR_n = 300 достаточно велико, то в соответствии с формулой (5.14) коэффициент детектирования.

Из записи входного AM-сигнала находим его амплитуду: С/_вх = 5(1+ 0,8) = = 9 В. Тогда амплитуда выходного сигнала ?/_пых = kJJ_ttX = 0,95 -9 = 8,55 В.

Квадратичный детектор. Принципы действия квадратичного и линейного детекторов существенно различаются. При малых амплитудах АМ-сигнала характеристику НЭ аппроксимируют полиномом Тейлора второй степени

Подставляя в это выражение значение напряжения и_вх(?) из формулы (5.13), после несложных тригонометрических преобразований получим.

На выходе АМ-детсктора переменные составляющие тока i (i) с высокими частотами со₀ и 2со₀ отфильтровывает R_HC_U-цепь. Передаваемый сигнал содержится в низкочастотной составляющей.

Как следует из формулы (5.16), полезный сигнал пропорционален квадрату входной амплитуды AM-сигнала t/_BX, поэтому детектирование и называют квадратичным.

Постоянная составляющая тока легко отфильтровывается (например, разделительным конденсатором), и выходной ток детектора определяется как

Полезным в соотношении (5.17) является только первое слагаемое, второе же определяет нелинейные искажения передаваемого сигнала, вносимые детектором. Снизить нелинейные искажения можно путем уменьшения глубины модуляции.