Вопрос 3 Искажения при детектировании сильных сигналов

Детектирования сильных сигналов

При детектировании сильных сигналов вольт- амперную характеристику диода аппроксимируют ломаной прямой.

Аналитическое уравнение аппроксимирующей ломаной прямой имеет следующий вид:

i_д=Su_д при u_д;

i_д=0 при u_д;

Подадим на вход детектора немодулированный сигнал

u _вх=U_mвхcos.

Тогда напряжение на нагрузке детектора

,

где - постоянная составляющая тока.

Для мгновенного значения величины напряжения на диоде можно записать следующее выражение:

. (2.9)

В момент времени t₁ и, при этом значение называется углом отсечки.

0=.

Откуда

сos =, (2.10)

т.е. коэффициент передачи диодного детектора

. (2.11)

Таким образом, коэффициент передачи при линейном детектировании тем больше, чем меньше угол отсечки, а коэффициент передачи линейного диодного детектора всегда меньше единицы.

В.И. Сифоровым получены следующие формулы, позволяющие рассчитывать коэффициент передачи, и входное сопротивление детектора по известным сопротивлению нагрузки и крутизне диода S:

;

.

Входное сопротивление параллельного детектора меньше, чем последовательного, поскольку оно определяется сопротивлением параллельно включенных диода и нагрузки. Для параллельного детектора входное сопротивление.

.

Как было показано выше, квадратичное детектирование сла­бых сигналов сопровождается существенными нелинейными иска­жениями. Однако даже при сильных сигналах в режиме линейно­го детектирования возникают нелинейные искажения, для ослаб­ления которых приходится принимать особые меры. Рассмотрим отдельно линейные (частотные) и нелинейные искажения, созда­ваемые детектором.

3.1 Частотные искажения. Линейные (частотные) искажения в де­текторе характеризуются зависимостью модуля коэффициента пе­редачи и фазового сдвига _д от частоты модуляции при модуляции входного сигнала по гармоническому закону.

Рис 3.1

Для анализа частотных искажений рассмотрим эквивалентную схему диодного детектора. На этой схеме: С_н, G_н — элементы цепи нагрузки детектора;

G_вх2,С_вх2— входная проводимость и емкость следующего усилителя.

Рис 3.2

Эта эквивалентная схема полностью совпадает с эквивалентной схемой резисторного усилителя.

По аналогии с усилителем относительная неравномерность ам­плитудно-частотной характеристики и фазовый сдвиг определяют­ся теми же выражениями, что и для усилителей, причем

,

где

=,

,

и

,

где

R = +.

Соответствующие пороговые частоты:

;

.

Если при выбранных параметрах нагрузки при детектировании сигналов с высокими модулирующими частотами искажения явля­ются недопустимо большими, что в схемах с дискретными элемен­тами можно применить высокочастотную коррекцию цепи нагруз­ки, подобную коррекции, применяемой в видео-усилителях.

Нелинейные искажения. Следует отметить, что в реальных схе­мах диодных детекторов частотные искажения обычно малы и наибольшее внимание при построении схемы должно быть уделено нелинейным искажениям, которые могут возникать вследствие не­скольких причин.

1. Искажения вследствие перехода в квадратичный режим де­тектирования. При диодном детектировании сильных сигналов де­текторную характеристику можно считать линейной, если ампли­туда входного сигнала превышает некоторое значение (рисунок 2.6), где - напряжение, соответствующее границе линейного участка.

При глубокой модуляции, в моменты наибольшего уменьшения амплитуды модулированного напряжения, возможен заход на квадратичный участок детекторной характеристики, вследствие че­го возникают нелинейные искажения.

Рис 3.3- Линейная детекторная характеристика

Из рисунка 3.3 следует, что условием отсутствия искажений явля­ется

;

. (3.3)

Отсюда видно, что для неискаженного детектирования сигнал на входе детектора должен быть достаточно сильным. Так, при и =0,8 напряжение

При расчете характеристик приемного устройства обычно за­даются требованием, чтобы амплитуда несущего напряжения на входе детектора была равна 1... 3 В.

2. Искажения вследствие инерционности цепи нагрузки. При неправильно выбранных параметрах нагрузки детектора R _н, С_н возникают нелинейные искажения. Они обусловлены тем, что при детектировании имеет место периодический процесс быстрого раз­ряда емкости С_н через малое сопротивление нагрузки R _н с посто­янной времени разряда (рисунок 2.7,а).

Рисунок 3.4- a. Диодный детектор; Входное напряжение б

Если постоянная времени разряда _р чрезмерно велика то, как показано на (рисунке 2.7, б), в течение времени от t_A до t_Б диод оказывается запертым и напряжение на нагрузке будет изменять­ся не по закону изменения огибающей U_mвх,а по экспоненциаль­ному закону разряда емкости С_н. В результате искажается форма сигнала, что соответствует нелинейным искажениям.

Условием без инерционности детектора, т. е. условием отсутст­вия рассматриваемых искажений, является следующее неравенство:

,

т.е. скорость изменения выпрямленного напряжения должна быть больше, чем скорость изменения огибающей амплитуды входного сигнала.

Исходя из этого, определяется допустимая величина постоянной времени нагрузки, т. е. уравнение безынерционного детектора:

, (2.13)

где m — коэффициент модуляции;

F_max — наибольшая частота модуляции.

Следует отметить, что это уравнение справедливо при т.

Если m=1, то нелинейные искажения детектора устранить невозможно.

Величина сопротивления резистора R_н выбирается для обеспечения больших величин коэффициента передачи и входного сопротивления детектора.

Рисунок 3.5- Схема детектора

Поскольку ранее указывалось, что для хорошей фильтрации высоко-частотных колебаний емкость С_н должна быть на порядок больше емкости диода С_д, то сопротивление нагрузки R _н опреде­ляется по уравнению безынерционного детектора.

3. Искажения вследствие различия нагрузок для постоянного и переменного токов. Рассмотрим схему детектора (рисунок 3.5). В этой схеме между нагрузкой R _н и входом следующего усилителя устанавливается разделительный конденсатор Ср. Для того чтобы частотные искажения сигнала в области нижних модулирующих частот F _н были малы, сопротивление конденсатора С_р на ча­стоте F_н должно быть значительно меньше входного сопротивления.следующего усилителя:

.

Поскольку у транзисторных усилителей R _{вx 2} мало и F _Hможет быть невелико, то для удовлетворения этого условия необходимо ставить конденсатор С_р достаточно большой емкости.

Из схемы видно, что величины сопротивления нагрузки для по­стоянной составляющей R₌ и переменной составляющей низкой (модуляционной) частоты тока диода оказываются разными. Для постоянной составляющей оно равно R _Н,т. е, R₌=R _Н, а для низкочастотной

.

Следовательно, на величину эквивалентной нагрузки ока­зывает влияние входное сопротивление R _вх2последующего кас­када.

Естественно, что всегда меньше. Различие сопротивле­ний нагрузки детектора постоянному, и переменному токам приво­дит к возникновению нелинейных искажений. Это объясняется следующим образом.

При подаче на вход детектора сигнала с амплитудой на­пряжение U ₀на нагрузке детектора достигает (при) значения. До этой же величины U₀зарядится конденсатор Ср. Если вследствие глубокой модуляции амплитуда уменьшит­ся до нуля,то ток через диод прекратится, инапряжение U₀ на нагрузке R_ндолжно стать равным нулю. Однако после прекращения тока через диод конденсатор С _рстанет разряжаться через R _ни,на R _нпостоянное запирающее диод напряжение

.

Допустим, R_н=, при этом U₃=0,5 U₀.

Если минимальная амплитуда входного сигнала ока­жется меньше напряжения запирания U₃, то диод окажется запер­тым напряжением U₃и произойдет отсечка нижнего участка оги­бающей, как это показано на (рисунке 2.9). В интервале времени диод запирается, и форма огибающей выходного сигнала искажается.

Для устранения таких искажений необходимо, чтобы U_{mвхm i n} было больше U₃, т. е.

.

Рисунок 2.9- Форма огибающей выходного сигнала

Окончательное условие отсутствия рассматриваемых нелиней­ных искажений приводится к виду

. (2.14)

Таким образом, требуется, чтобы R_~ было равно R₌.

Для ослабления указанных искажений схему детектора можно построить так, чтобы различие нагрузок для постоянной и пере­менной составляющих тока выходной цепи детектора становилось менее заметным. Для этого детектор выполняется по схеме с раз­деленной нагрузкой R _н1и R _н2 (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10- Схема детектора с раз­деленной нагрузкой R _н1и R _н2

В этой схеме R _н= R _н1+ R _н2. Соотношение между R _н1 и R _н2 за­висит от входного сопротивления усилителя, следующего за детектором. При использовании полевых транзисторов вели­ко и

R _н1=(0,1…0,2) R _н2.

Биполярные транзисторы имеют малое входное сопротивление. В этом случае обычно выбирают R _н1=(4…5) R _н2.Но при этом уменьшается коэффициент передачи детектора до величины

Дата добавления: 2014-01-07