В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, 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.
На рисунке 2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc(1) <Uc(2).Тогда постоянные составляющие напряжений U=(1)<U=(2) и I=(1)<I=(2).
На этом же рисунке условно изображена зависимость ig=f(t).
Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:
, (6) где Iоб – абсолютное значение величины обратного тока диода, φT – температурный потенциал, равный при Т=293˚ K примерно 26 мВ.
Зависимость постоянной составляющей U= от амплитуды приложенного напряжения Uc дается детекторной характеристикой (рис. 3).
Анализ выражения (6) позволяет сделать два основных вывода:
· с увеличением Rн 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, 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 kн в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (kн £ 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 ig=f(ug) (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 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резистор Rн.
Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла qне 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≤Uc≤Uc(1) на рис. 2, необходимо выбирать значение Ucисходя из неравенства:
; (16)
различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.
При использовании усилителя с входным сопротивлением
RУНЧ ³ (5 – 10) Rн
и выборе величины емкости разделительного конденсатора Cp, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с RУНЧ из условия:
, (17)где Ωmin – минимальная частота модулирующего сигнала,
этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;
· нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора Cн.
При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U= и ua(t). В моменты времени, когда ua(t) < U=, конденсатор Cн будет разряжаться через резистор Rн по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:
, (18) где Ωmax – 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 Cн выбирается из условия:
, (19)а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:
kф = ωcCнrg, (20)
где rg – сопротивление диода в открытом состоянии.
2. Виды схем амплитудных детекторов
2.1 Амплитудный детектор на диоде
Классическая схема «последовательного» детектора дана на рисунке (собственно, это однополупериодный выпрямитель). Если представить ламповый диод как идеальный вентиль, то такая модель («линейного» детектирования) сразу же дает для постоянной составляющей выходного напряжения:
,где uBX – амплитуда напряжения несущей на входе детектора. Амплитуда низкочастотного напряжения на выходе:
uВЫХ = mUH (m – коэффициент модуляции АМ сигнала).
При полярности включения диода как на схеме – выпрямленное напряжение будет положительным.
2.2 Параллельный детектор
Присоединим «нижний» вывод резистора нагрузки к ВЧ входу, как на рис. слева. Ни для постоянной составляющей тока, ни для модулирующего колебания – в схеме, по сути дела, ничего не изменилось. Перевернув теперь схему (справа), получим известный по книгам параллельный детектор.
В новой схеме резистор R дополнительно подгружает ВЧ вход. Соответственно снижается входное сопротивление для резонансных цепей:
Отличием этой конфигурации является также присутствие на ее выходе, помимо низкочастотного напряжения, еще и полного входного сигнала. Поэтому в практических схемах предусматривается дополнительная фильтрующая ячейка RФСФ для снятия нежелательной ВЧ составляющей.
К параллельному детектору обращаются нередко. Во-первых, если схема диктует необходимость непременно емкостной связи с источником сигнала. Во-вторых, это естественное решение для комбинированных ламп (таких как 6Г2), а также прямонакальных, то есть тех, где катод диода вынужденно заземлен.
Впрочем, в этих последних случаях вполне возможно и последовательное детектирование – если только контур может быть отвязан от «земли» (см. последний рис.).
При указанной полярности включения диода выпрямленное напряжение – минусовое.
2.3 Сеточный детектор
Эта схема типична для простых малоламповых приемников. Она эквивалентна сочетанию обычного детектора и усилительного каскада; только роль анода диода играет управляющая сетка. По понятным причинам ВЧ фильтрацию приходится осуществлять уже в анодной цепи.
В книгах мы читаем, что сеточный детектор обладает повышенной чувствительностью; это действительно так. Дело в том, что отказ от регулятора громкости вслед за детектором – позволяет увеличить сопротивление нагрузки (R). Тем самым и сохранить высокую добротность контура, и снизить до минимума ток через «диод». Правда, это оборачивается и негативной стороной: возможностью перегрузки каскада сильными сигналами, размах которых превысит раствор характеристики лампы. В предельном случае выделенная НЧ огибающая (на отрицательной «подставке») вообще выносится в область отсечки характеристики, а слушатель раритетного приемника недоумевает: почему при точной настройке на очень мощную станцию передача пропадает?
2.4 Катодный детектор
Если сеточный детектор по принципу работы – диодный, то катодный и анодный детекторы действуют иначе.
Взглянем на эту схему как на катодный повторитель с емкостной нагрузкой. В отличие от линейного случая, ток покоя в детекторе всегда должен быть выбран «неправильно», чтобы не позволять емкости разряжаться в промежутке между двумя положительными полуволнами колебаний несущей:
I << i'.
Здесь i' – снова амплитуда тока несущей частоты f в катоде, как если бы не было отсечки колебаний, I – ток покоя лампы.
