Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 13 Виды амплитудных детекторов и амплитудных ограничителей.
.
При практической реализации простейшего АД по схеме на рисунке1.1,а возникают трудности выбора конденсатора С и резистора нагрузки RH, обеспечивающих достаточно большое входное сопротивление детектора и требуемые искажения, обусловленные шунтирующим действием входных цепей УЗЧ. Шунтирующее действие входных цепей УЗЧ можно уменьшить, увеличив входное сопротивление УЗЧ, например включением на входе УЗЧ эмиттерного повторителя на полевом транзисторе или других схем, имеющих большое входное сопротивление. Одним из способов уменьшения шунтирующего действия входного сопротивления УЗЧ на детектор является разделение нагрузки детектора на две части (рисунок1.13). В этой схеме входная цепь УЗЧ шунтирует только резисторR2, являющийся частью нагрузки детектора. Поэтому эквивалентное сопротивление нагрузки равно . Сопротивление резистора R2 обычно выбирается в несколько раз меньше входного сопротивления первого за детектором каскада УЗЧ. Коэффициент передачи в схеме на рисунке1.13 будет меньше, чем в обычной схеме детектора: .
Работа детекторов на биполярных транзисторах основана на нелинейности характеристик транзисторов. В зависимости от места включения нагрузки принято различать коллекторные, эмиттерные и базовые детекторы.
Схема коллекторного детектора представлена на рисунке1.14,а. Его детекторная характеристика нелинейна почти на всем своем протяжении (рисунок1.14,б). Поэтому коллекторный детектор имеет большие нелинейные искажения и может работать только в ограниченном диапазоне входных напряжений. Для детектирования малых сигналов на базу транзистора необходимо подавать начальное напряжение смещения, создаваемое делителем R1R2.Емкостное сопротивление конденсатора С2 на нижней части модулирующего сигнала должно быть на порядок меньше сопротивления коллекторного резистора RK.
Рисунок1.1 –Схема амплитудного детектора с разделенной нагрузкой
Входное сопротивление коллекторного детектора мало, поэтому применяют неполное включение детектора в контур УПЧ. Достоинствам такого детектора является возможность одновременного с детектированием усиления сигнала, т. е. получения Кд>1.
Рисунок 2.14 – Схема коллекторного детектора (а) и его детекторная характеристика (б)
Схема эмиттерного детектора представлена на рис. 1.15. Входное сопротивление эмиттерного детектора, выполненного по схеме с общим коллектором, значительно больше, чем коллекторного детектора, а выходное сопротивление значительно меньше. Это позволяет использовать полное включение контура УПЧ в схему детектора и упрощает согласование детектора с УЗЧ. Эмиттерный детектор может работать в более широком диапазоне изменения входных напряжений, чем коллекторный, и не боится перегрузок. Коэффициент передачи эмиттерного детектора всегда меньше единицы.
В базовом детекторе резистор нагрузки для токов модулирующей частоты включено в цепь базы транзистора. Схема базового детектора не отличается от схемы коллекторного детектора. Для включения нагрузки в цепь базы необходимо уменьшить емкость С/, чтобы ее сопротивление току верхних модулирующих частот было равно или даже больше сопротивленияR2,но по-прежнему было бы незначительным для токов высокой частоты. В этом случае низкочастотная составляющая базового тока на сопротивление R2создаст падение напряжения, которое будет управлять током коллектора по закону модулирующего сигнала. Базовый детектор имеет хорошую линейность детекторной характеристики в режиме больших сигналов.
Еще более линейная амплитудная характеристика получается, в коллекторно-эмиттерном детекторе (рисунок 1.16).
Емкость конденсатора Сэ выбирается из тех же соображений, что и емкость конденсатора С1 в схеме базового детектора. Токи модулирующих частот создают на резисторе падение напряжения, являющееся для рассматриваемой схемы напряжением обратной отрицательной связи (ООС), которое немного уменьшает коэффициент передачи, но значительно улучшает линейность амплитудной характеристики. Токи высокой частоты, замыкаясь через малое сопротивление емкости Сэ, не создают эффекта ООС.
Вопрос 2 Детекторы импульсных сигналов.
2.1 Общие положения детектирования импульсных сигналов
В импульсных системах радиосвязи информация передается с помощью модулированных радиоимпульсов. Для модуляции может быть использовано изменение в соответствия с передаваемым. сигналом одного из параметров импульса: амплитуды — амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), ширины или длительности — широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частоты следования — частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), фазы или времени появления — фазо-импульсная модуляция (ФИМ). Передаваемое сообщение может быть закодировано в изменяющихся параметрах пачки импульсов — импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В приемниках импульсных сигналов различные виды модуляции обычно преобразуются в АИМ, что упрощает их детектирование. При этом исходным сигналом для детектирования является последовательность АМ-радиоимпульсов.
Детектирование АМ-радиоимпульсов может быть одно- и двукратным. Однократное детектирование состоит в непосредственном преобразовании АМ-радиоимпульсов (U1 на рисунке 2.1,а) в напряжение, форма которого изменяется в соответствии с огибающей последовательности детектируемых импульсов (U2, на рисунке 2.1,6). Такое детектирование производится с помощью пиковых детекторов. Пиковыми называют детекторы радио или видеоимпульсов, напряжение на выходе которых пропорционально амплитуде или, как иногда говорят, пиковому значению импульсов.
На первой стадии двукратного детектирования радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы, форма которых повторяет огибающую отдельных радиоимпульсов (U3 на рисунке 2.1,в). Такое преобразование осуществляется с помощью детекторов, называемых импульсными. Вторая стадия двукратного детектирования состоит в пиковом детектировании полученных видеоимпульсов.
Важным преимуществом двукратного детектирования перед пиковым детектированием является возможность усиления видеоимпульсов, так как получить высокий коэффициент передачи пикового детектора радиоимпульсов достаточно сложно, а усилить постоянное или медленно изменяющееся напряжение на выходе пикового детектора радиоимпульсов сложнее, чем усилить видеоимпульсы после импульсного детектора.
Рисунок 2.1 – детектирование радио импульсов: а – детектируемая последовательность радиоимпульсов; б – огибающая последовательность радиоимпульсов; в – последовательность видеоимпульсов, полученных детектированием отдельных радиоимпульсов
Принцип действия и схемы детекторов радиоимпульсов, как импульсных, так и пиковых, не отличаются от принципа действия л схем рассмотренных ранее амплитудных детекторов непрерывных сигналов. Отличие состоит только в требованиях к постоянной времени цепи нагрузки и в большем значении переходных процессов в детекторе.
Рассмотрим работу импульсного детектора радиоимпульса, огибающая которого имеет прямоугольную форму (рисунок 2.2,а). Из-за влияния инерционности цепи нагрузки детектора выходное напряжение будет повторять форму огибающей радиоимпульса с искажениями(рисунок 2.2,б). Задача – выбор параметров схемы, обеспечивающих минимальные времена установления tусти спада tсп выходного импульса.
Рисунок 2.2 – Искажение огибающей радиоимпульса при детектировании: а - детектируемый радиоимпульс, б - огибающая радиоимпульса после детектирования
Очевидно, что для обеспечения малой инерционности цепи нагрузкиCRннеобходимо выбрать минимальные емкость и сопротивление нагрузки. Емкость нагрузки С ограничена снизу требованием фильтрации напряжения промежуточной частоты, обеспечивающей устойчивость работы приемника. Сопротивление резистора Rн выбирается из условияRн≥(1…3)T0/С, где T0—период колебания промежуточной частоты.
Рисунок 2.3 – Пиковое детектирование последовательности радиоимпульсов
При пиковом детектировании радиоимпульсов необходимо, чтобы конденсатор нагрузкиС не успевал заметно разрядиться за время между импульсамиTi—Tи (рисунок 2.3). Для этого должно выполняться условие RнC>>Ti—Tиили при Ti>>Tи.
RнC>>Ti (2.1)
Другим условием для определения значений параметров цепи нагрузки является условие безинерционности (1.22).
Анализ работы пикового детектора радиоимпульсов показывает, что его характеристики аналогичны характеристикам амплитудного детектора непрерывных сигналов, у которого сопротивление нагрузки уменьшено вqраз, где q=Ti/Tи— скважность детектируемых импульсов. Поэтому в пиковом детекторе радиоимпульсов сложно получить большой коэффициент передачи, так как для этого необходимо резко увеличить сопротивление нагрузки Rн, что не всегда позволяет одновременно обеспечить условия (1.22) и (2.1). Вследствие этого пиковое преобразование радиоимпульсов целесообразно проводить двукратным детектированием.
Возможная схема пикового детектора видеоимпульсов изображена на рисунке 2.4. Здесь на полевом транзисторе VT выполнен видеоусилитель. Непосредственно детектор выполнен по параллельной схеме на диодеVDс элементами нагрузки С и Rн.
Так как здесь в отличие от амплитудного детектора непрерывных сигналов входное напряжение снимается не с узкополосного контура УПЧ, а с широкополосной нагрузки видеоусилителя Rс шунтирующее влияние параллельного детектора, приводящее к изменению ширины полосы пропускания УПЧ, не проявляется. В рассматриваемой схеме реализуется преимущество параллельного детектора, состоящее в том, что конденсатор С детектора одновременно выполняет роль развязывающего конденсатора, предотвращая попадание постоянной составляющей напряжения стока транзистора на диод детектора.
Работает рассматриваемая схема от импульсов отрицательной полярности, поступающих на вход видеоусилителя. При появлении входного импульса транзисторVTзакрывается и конденсатор С заряжается до амплитуды входного напряжения через сравнительно малое сопротивление стока и открытый диод. В интервале. между импульсами транзистор открывается, а диод запирается, и конденсатор разряжается через резистор нагрузки. Если выполнить условие (2.1), то конденсатор С не успеет заметно разрядиться за время между импульсами, и на выходе сформируется отрицательное напряжение, пропорциональное амплитуде детектируемых импульсов.
Рисунок 2.4 – Пиковый детектор на полевом транзисторе
Амплитудные ограничители (АО) применяют в приемниках ЧМ- и ФМ-колебаний для подавления паразитной AM, возникающей при прохождении ЧМ- и ФМ-колебаний через высокочастотный тракт приемника с неравномерной частотной характеристикой. Мешающее действие паразитной AMобусловлено тем, что детектированием ЧМ- и ФМ-сигналов осуществляется при преобразовании ЧМ- и ФМ-сигналов в сигналы AMс дальнейшим их детектированием детекторами AM. Поэтому паразитная AMсигналов ЧМ и ФМ после преобразования будет накладываться на полезную AMи искажать принимаемую информацию.
Амплитудные ограничители также уменьшают действие помех, вызывающих изменение амплитуды ЧМ- и ФМ-колебаний. Для выполнения указанных функций амплитудная характеристика АО должна иметь вид, представленный на рисунке1.1 (кривая 1). Реальная амплитудная характеристика АО немного отличается от идеальной (рисунок 1.1, кривая 2).
Как следует из рисунка 1.1, при малых входных напряжениях (Uвх<Uвх0)выходное напряжение линейно связано с входным. При превышении входным напряжением Uвх0, называемого порогом ограничения, выходное напряжение не должно изменяться при изменении входного. Качество ограничителя характеризуется коэффициентом ограничения
Рисунок 1.1 – Идеальная (кривая 1) и реальная (кривая 2) амплитудные характеристики амплитудного ограничителя
При построении АО широко используется нелинейность ВАХ транзисторов и полупроводниковых диодов. Схема АО представлена на рисунке 1.2,а, диаграммы, поясняющие работу схемы,— на рисунке 1.2,б.
В исходном состоянии транзисторVT1открыт отрицательным смещением, создаваемым делителемR1R2.Через транзисторVT1 протекает ток, создающий на сопротивленииRэ падение напряженияURэ, поддерживающее транзисторVT2в закрытом состоянии (URэ>UR2).Ток через закрытый транзисторVT2равен нулю. Этому соответствует точка 0 на вольт-амперной характеристике, изображенной на рисунке 1.2,б. Дальнейшее уменьшение отрицательного входного напряжения относительно напряжения смещения не изменяет исходного состояния схемы (участок ОА на вольт-амперной характеристике). Увеличение входного напряжения будет закрывать транзисторVT1.Ток через него уменьшится, уменьшится падение напряжения на резистореRэи транзисторVT2откроется. При дальнейшем увеличении входного напряжения ток через транзисторVT2будет увеличиваться (участок 0В на вольт-амперной характеристике).
Когда входное напряжение скомпенсирует отрицательное напряжение смещения транзистораVT1, напряжение на его базе станет равным нулю, и транзисторVT1закроется. Дальнейшее увеличение входного напряжения не будет вызывать изменение тока ни через транзисторVT1, ни через транзисторVT2(участок BDна вольт-амперной характеристике). Таким образом, выходной ток рассмотренной схемы не может превышать значений, определяемых точками 0 и В на вольт-амперной характеристике, что и требуется от АО. Выходной ток транзистораVT2проходит через колебательный контур Lк2Ск2и в силу резонансных свойств этого контура возбуждает в нем гармоническое напряжение, частота которого равна частоте первой гармоники проходящего через него тока.
Рисунок 1.2 – Схема амплитудного ограничителя на двух транзисторах (а) и диаграммы процессов (б)
Рисунок 1.3 – Схема усилителя с диодным амплитудным ограничителем (а) и диаграмма выходного напряжения (б)
Хорошие результаты можно получить в диодном АО, схема которого представлена на рисунке 1.3,а. ДиодыVD1иVD2заперты напряжениямиU1иU2,которые создаются делителемR3R4R5, питающимся от источника питания Епит. При сигналах, меньших U1иU2, сопротивление запертых диодов велико, и они практически не шунтируют контур Lк Ск, параллельно которому они включены. Как только сигнал превышает U1 или U2, соответствующий диод открывается и шунтирует контур Lк Ск, уменьшая выходное напряжение. Процесс ограничения иллюстрируется диаграммой на рисунке 1.3,б.
Недостатком рассматриваемой схемы является изменение полосы пропускания каскада из-за шунтирования контура.
От этого недостатка свободна схема, изображенная на рисунке 1.4,а. Контур Ск Lк настроен на промежуточную частоту. Поэтому рассматриваемый каскад по существу является УПЧ. Ограничение здесь достигается за счет такого режима работы транзистора, чтобы при больших входных сигналах он переходил в режим насыщения или отсечки. Для этого необходимо, чтобы транзистор работал при пониженном напряжении на коллекторе. Такой режим достигается выбором сравнительно большого сопротивления резистора Rф.На рисунке 1.4,б показаны вольт-амперные характеристики транзистора и динамические характеристики каскада, поясняющие выбор режима работы,
α1 = arcctg Rф,
α2=arcctg Rэк0
(Rэк0— эквивалентное сопротивление контура LкСк токам промежуточной частоты с учетом всех шунтирующих сопротивлений).
Рисунок 1.4 – Схема амплитудного ограничителя, совмещёного с усилителем (а), и вольт-амперная характеристика транзистора и динамические характеристики усилителя-ограничителя (б)
Улучшить качество ограничения можно каскадным включением отдельных ограничителей. При этом суммарный коэффициент при каскадном включении n ограничителей будет
,
где — коэффициент ограничения i-го каскада.