книги / Радиоприемные устройства.-1

Рис# 6 В

тектора для любого используемого нелинейного элемента является квадратич­ ной.

Из (6.22)		можно найти также семейство входных характеристик детек­
тора:					_ £ /
Gвх —		т о ;	2 W		V J *				(6.29)
		и
где S0 = yl~t .
Для слабых сигналов (V					< 0,5) величина J, (F			) »	0,5 V , из-за малой
		i		HI		1	FT#		Fib
величины	I	- K=	« 1	и в	соответствии с	(6.29)		входная проводимость
	V_	e
Свх » S Q ,	т.е. велика.
Для больших сигналов				с помощью (6.29)		и	(6.27)		можно показать, что

GBX « 2//?н , т. е. при соответствующем выборе величины R H входное сопро­ тивление детектора может быть сделано большим.

Таким образом, диодное детектирование при большом входном сигнале имеет преимущество сравнительно с режимом малого сигнала в линейности де­ текторной характеристики и величине входного сопротивления, поэтому на входе диодного детектора следует обеспечивать относительно большие уровни сигналов: для вакуумных диодов U > (2—3)В, для полупроводниковых дио­ дов Um > (0,3 -0,5)В.

Из-за распространения режима детектирования большого сигнала пред­ ставляет интерес получение более простых расчетных выражений и методик расчета по сравнению с приведенными.

С этой целью вольт-амперную характеристику диода i = f(u ) в области больших воздействий представим с помощью линейно-ломаной аппроксима­ ции (рис, 6.9). Нетрудно видеть, что режим сильного сигнала приводит к про­ явлению в схеме, изображенной на рис. 6.7, трех физических процессов: отсеч­ ки выходного тока диода / , заметного автоматического смещения на анод

диода и зарядно-разрядного процесса при коммутации сопротивления диода. Действительно, для больших сигналов работа диода происходит в двух ха­ рактерных областях: А - диод открыт, Б - диод закрыт (см. рис. 6.9). При прямом токе диода на сопротивлении нагрузки возникает отрицательное авто­ матическое смещение U_ = ~/_Д . Это смещение изменяет положение рабо­ чей точки на характеристике диода, смещая ее из области вблизи нуля налево в область Б . Тогда выходной ток i будет проходить через диод не непрерыв­ но, как в случае слабого сигнала, а в течение тех интервалов времени, когда суммарное колебание на аноде диода и(г) —£/.>0, что приводит к его откры­ тию. На рис. 6.9 показан угол отсечки тока диода в , соответствующий време­

ни протекания тока в течение полупериода входного воздействия.

Появление усеченных косинусоидальных импульсов j(cof) в свою очередь порождает зарядно-разрядный процесс конденсатора нагрузки Сн . Действи­ тельно, в течение импульса тока (интервал, соответствующий углу 20) проис­ ходит быстрый заряд конденсатора Сн от источника u (t) , так как сопротивле­ ние открытого диода, через которое происходит заряд, мало. В течение време­ ни, когда диод закрыт, конденсатор Сн не может заряжаться, так как цепь

заряда разрывается. Тогда конденсатор разряжается на сопротивление	R H
Так как это сопротивление выбирается относительно большим, то разряд кон­
денсатора происходит значительно медленнее его заряда. Характер зарядно­
разрядного процесса конденсатора отражен зависимостью мвых =	/(соt)

(рис. 6.10). При изменении амплитуды входного сигнала U		происходит
изменение величины импульсов тока i(cof), а также уровня мвых		на конденса­
торе, т. е.	на выходе детектора. Однако, какова точность такого **отслежива­
ния0 мвых	при изменении Um , из рассмотрения физических процессов не яс-

Рис» 6.10

но. Поэтому приведем количественный анализ работы детектора в режиме сильного сигнала.

Из рис, 6,9 следует, что ток открытого диода

U	(630)
i = S (U m coscot - U _)= SUm(coscjjt - — ) ,

где S = di/du —статическая крутизна вольт-амперной характеристики диода на проводящем участке.

Но в соответствии с определением функции косинуса U_/Um = cosfl . Сле­ довательно, согласно (6.30),

/ = S t/^ c o s o jf - cos0).

(631)

'Проинтегрировав (631), найдем постоянную составляющую тока, содер­ жащуюся в усеченных косинусоидальных импульсах:

1	2Я	1	в
/_ = —	/ i (c jt)d c jt = 2 —		/ i(<jOt)dcjt =
2тг	о	2тг	о
SUm	в		SUш
ш	;			(6.32)
w	о (coscof - cosd)dcjt = ---------(sin0 — 0cos0),
Так как при U		= 0 ток /_ = 0, то детекторная характеристика диодного

детектора в режиме сильного сигнала имеет вид, аналогичный выражению

(632).	/ на R , найдем напряжение	\U=[ на нагрузке детектора
Умножив
\ U J = / = Л и	-
	S U R
|U I = ■— ™ - - (sin0 - в cos0) .		(633)

Но |U_ |/ U = cos0 , поэтому (6.22) запишем в виде

SRH

cos0 = — — (sin0 — 0cos0)

я

или

tg0 - 0 = n/SRH .

(634)

Трансцендентное уравнение (6.34) может быть использовано для нахож­ дения угла отсечки импульсов тока диода.

Для количественного определения 0 удобен графоаналитический метод расчета. С этой целью необходимо построить зависимость tg0—0 (левая часть уравнения (6.34) ), а затем пересечь ее прямой я/5Кн (правая часть уравнения

(6.34)) (рис. 6.11).
Найдем	напряжение £/ВЬ1Х на нагрузке детектора /?н. Так		как t/_ =
= Um cos0 , a		Um находится по (6.6), то
U	=	U cos0 + m t f n cos0cosnt	(6.35)

Первое слагаемое в (6.35) не содержит информацию о модуляции u (t) , поэто­ му оно не поступает на вход УМЧ благодаря разделительному конденсатору

С(см. рис. 6.7). Второе слагаемое в (6.35) является информативным и

имеет вид	£/= = Um a cos Ш , где	Um Sl=rnUm 0cos6
По определению коэффициент передачи детектора равен (6.7), откуда
К	Umiоl	(6.36)
	= -------- —cos0

^mUmO

Таким образом, в режиме сильного сигнала автоматическое смещение ха­ рактеризуется углом отсечки 0 , величина которого определяется параметром

диода S ,сопротивлением нагрузки	и не зависит от величины сигнала U
Физическая сущность этого явления	связана с тем, что с увеличением и т

автоматически возрастает величина смещения U , так что угол 0 остается не­ изменным. Тогда из (6.36) находим, что К^т = const и не зависит от Um

Из анализа детекторной характеристики (6.32) с учетом независимости утла 0 от U следует, что диодный детектор в режиме сильного сигнала явля­ ется линейным для модулирующего колебания. Это, однако, не противоречит нелинейности процессов, лежащих в основе детектирования; они нелинейны н даже, сопровождаются характерным эффектом для нелинейной цепи —отсеч­ кой выходного тока. Поэтому рассматриваемый режим работы детектора мо­ жет быть условно назван режимом "линейного детектирования”. Нетрудно по­ казать >что в этом режиме G21д = S sin0/ir; С22д = 50/я

Как следует из (6.36), коэффициент передачи диодного детектора /Сдт не может быть больше 1, так как такой детектор не способен усиливать сигнал. Для увеличения К следует использовать диоды с большой крутизной и уве­ личивать сопротивление нагрузки детектора /?н .

Определим величину входного сопротивления детектора. Воспользуемся с этой целью энергетическим методом анализа. Запишем мощность сигнала в нагрузке /?н :

Рн = U i /RH

(637)

Эта Мощность практически равна мощности Рвх , отдаваемой во входное сопротивление собственно детектора/? источником сигнала, так как потери мощности в диоде пренебрежимо малы?величина

	и 2 .
Рвх	вх.эф		(6.38)
где UBx э ,	—эффективное значение гармонического напряжения входного си­
гнала,ВХ*
увх.эф =			(6.39)
Приравнивая (637) к (6.38), с учетом (6.39) получаем			£/*//?н = t/^/2R
откуда (так как при /Сдт 1 напряжение U=		Um )
R BX	* R J 2 .		(6.40)

Полученные результаты подтверждают ранее приведенные для детектора с экспоненциальной характеристикой диода.

В реальных условиях эксплуатации РПУ на входе его AM-детектора могут быть сигналы различных уровней*: Поэтому параметры детектора в широком

диапазоне	входных	сигналов изменяются. Например, зависимость К =
= f(U )	(рис. 6.12)	сначала линейна (режим слабого сигнала - областьА), а

затем постепенно переходит в область К « const (режим сильного сигнала — область В) . Промежуточная область Б характеризуется "средними” парамет­ рами сравнительно с параметрами крайних областей.

Для окончательного вывода о возможностях режима сильного сигнала следует рассмотреть дополнительные причины, приводящие к искажениям за­ кона модуляции.

Частотные искажения обусловлены комплексностью сопротивления на­ грузки Z ддя колебания модулирующей частоты. С целью устранения паде­ ния на нагрузке Z ^ напряжения высокой частоты емкость Сн следует брать достаточно большой, так чтобы 1/OJCH < < /?н . Однако при больших емкостях Сн сопротивление нагрузки для высших модулирующих частот £2 будет уменьшаться. Эквивалентная схема выходной цепи детектора любого вида представлена на рис. 6.6, из которого следует, что частотные искажения в на­ грузке могут быть оценены с помощью коэффициента

и тП

м =

и	(ft= о) >/1 + (Пт) 2
где г = C/G?; Сэ = G22JX + GH , после чего находим, что для устранения иска­
жений необходимо обеспечить: й т		г « 1 .

Нелинейные искажения имеют различную физическую природу. Во-первых, всегда существует нелинейный участок А детекторной харак­

теристики для детектора любого вида (рис. 6.13). Во время пиков модуляции огибающая сигнала будет находиться в нелинейной области детекторной характеристики (на рис. 6.13 он ограничен напряжением U* и заштрихрван). Если ограничить максимальную величину коэффициента глубины модуляции т оп , то можно найти уровень несущей сигнала UmQ , который гарантирует

ра§оту вне области^	(см. рис. 6.13): £/ш()(1 —т )>				и*т , откуда			Um
= С/£/(1 - т ) . Д л я	т = 0,9,	= (0 ,0 5 -О, 1)В			UmQ *	(1-2)В .		тО
	Во-вторых, при детектировании существуют
	нелинейные			искажения, обусловленные различи­
	ем сопротивления нагрузки детектора для посто­
	янного и переменного токов. Действительно, как
	следует из рассмотрения полной схемы диодного
	детектора		(см. рис.6.7) , нагрузка для тока часто­
	ты модулирующего сигнала состоит из параллель­
	ного	соединения резисторов R H					и R , являюще­
	гося	эквивалентным			входным		сопротивлением
	УМЧ (сопротивление правильно выбранной емко­
	сти Ср пренебрежимо мало).
	Таким образом, сопротивление нагрузки де­
	тектора для постоянного тока					(т. е. без модуля­
	ции) равно		RH , т. е. Яня_ = RH , для переменного
				R R
	тока	К „ _ =		J L L < *
	Влияние			RH+RV	^		показано		на
				этого	эффекта
	рис. 6.14,			где представлено			семейство		ха-
Рис. 6.13	рактеристик			выпрямления		(6.11)		и нагру­
	зочная		прямая		(6.12).		При	отсут­

ствии модуляции сигнала совместное решение указанных уравнений при Um =

=	Um0 дает исходную рабочую точку А , причем arctg^ =		1/Лн_.Примодуля-
ции нагрузочная		прямая будет проходить под большим	углом: arctg</>2 =
=	1//?HJ > arctg^	. При изменении огибающей сигнала Um (t) происходит от­

сечка тока на пиках модуляции, так как в течение некоторого времени диод будет заперт.

Увеличивая шунтирующее сопротивление R y , можно снизить различие

R ^_ и R H„	, что уменьшает поворот нагрузочной характеристики и вероят­
ность искажений на пиках модуляции. Обычно полагают, что неравенство
я у >	( 5 - 1 0 )R H	(6.41)

является достаточным для пренебрежения этим видом искажения. Рассматри­ ваемые искажения не зависят от частоты модуляции, так как сопротивление емкости Ср пренебрежимо мало на всех частотах.

В-третьих, существуют нелинейные искажения, обусловленные комплекс­ ностью нагрузки для модулирующего колебания (рис. 6.15).

Если нагрузка детектора для сигнала модуляции может считаться безынер­ ционной, т. е. ZH = RH , то напряжение на нагрузке будет синфазным с напря­ жением огибающей входного сигнала Um (рис. 6.15, а) . Если учесть, что Сн Ф Ф 0, то возникает фазовый сдвиг между U и U_ Это приводит к тому, что начиная с момента времени t x до момента времени ?2 результирующее напря­ жение на аноде диода будет отрицательным, так как U < \ U_ \ , a U__ < 0. Тогда конденсатор Сн разряжается через резистор R H . Поэтому напряжение на выходе детектора будет следовать экспоненциальному закону разряда кон­ денсатора, а не закону модуляции. В момент времени ?2 Um =\U_ / диод от­ кроется и напряжение на выходе детектора будет вновь повторять модулирую­ щую функцию. Вследствие разрядного процесса в полезном сигнале оказыва­

ются вкрапления’* экспоненциальных участков		(рис. 6.15, б) , что проявляет*
ся как сильные нелинейные искажения модулирующего сигнала.
Для уменьшения искажений рассмотренного вида следует ускорить разряд
конденсатора Сн , начиная с момента	, так чтобы кривая разряда как бы
"скользила” вдоль кривой U (?), т. е. должно выполняться неравенство:
dUт		(6.42)
d t t= t.
Но £/_ = ^ 1=ехр(—(? -?1)/(С ’н/?н)),г д е U		—напряжение на нагрузке
в момент f = ^ , поэтому

л

			t
			Рис. 6.15
dU_		U.
( —	)	СнR н	exp ( — Г Г ” )
d t	t= t.		Сн RК

Так как U определяется по (6.6), то из (6.43) следует:

dU_ Uт О

с/г

(1 + т cosO f).

и Н

В то же время в соответствии с (6.6):

dUт

После подстановки (6.44) и (6.45) в (6.42) находим:

1	£ 2msinf2f.
------ >	-------------- —
ЛяСн	1 + mcosOfj

(6.43)

(6.44)

(6.45)

(6.46)

Из анализа (6.46) следует, что наиболее неблагоприятные условия искаже­ ний создаются при cosi2t y = ~ т . Отсюда с учетом (6.46) находим:

Шгн Сн < V I	- т 2/ т .		(6.47)
Для т *> 0,5-0,7	и заданного значения Ятах выражение	(6.47)	может
быть представлено как ^ тах^ нСн < 1 —1,5,
Так как отсутствие рассмотренного вида искажений предполагает			доста­
точно точное повторение законов U (t) и U_ (f) для всех частот		SI ,	в том

числе и для £2mgx , выполнение (6.47) обеспечивает одновременно малые час­ тотные искажения.

6.2.4. Синхронны е детекторы

Рассмотрим, как изменяется отношение С/П при прохождении сигнала и помехи через детектор РПУ обычного типа (некогерентный) и синхронный

Рис.6.16

(когерентный). Пусть вначале помехой приему являются шумы, которые в узкополосном тракте промежуточной частоты имеют характер узкополосного

квазигармонического сигнала мп( ( ) = U	(f)cos(cof + </>(г)),где U (г)
y(t) - случайные функции.	шп

Положим, что на входе некогерентного детектора (рис. 6.16, а) действует

также полезный сигнал мс (г)	= Umccoscot , а характеристика нелинейного
элемента квадратична
У = х 2 ,	(6.48)
где
х = и„ (0 + uc (t) .	(6.49)

Подставляя (6.49) в (6.48) и исключая отфильтровываемые колебания высоких частот, получаем на выходе ФНЧ: Ун Ч= УС+ УП*гДе

у, -	u i J 2		(МО)
представляет собой составляющую		полезного сигнала;
Уп -	UL W/2	(О «■*<*) ■	(6-S1)

Отношение С/П на входе детектора определим как отношение мощности сигнала U2mJ 2 к мощности помехи, представленной величиной СКО шума

Лвх = t / ^ c/2 а* . Мощность помехи на выходе детектора определяется величиной дисперсии случайного процесса (6.51):

D y	= (у	Т )2 = а 4 + I U 2					а2 ,		(6.52)
7 п	'-'п	■'п'		п	2	т с	п *
так как t/*	(О	= 2o2U*		(t) = So*;			U	(t)cos<p= 0.
Ш П v '		п	m nv /			п	m n 4		'

Мощность сигнала находится в соответствии с (6.50) как {U2mJ S) 2 , от­ куда с учетом (6.52) следует, что отношение С/П на выходе детектора равно

у 2	U4	А?
А	тс	(6.53)
	4 o ^ 0 , 5 U 2 a 2 )	1+ А

Если сигнал мал, т. е. Л	вх	«	1, то Л	вых	« А 2
					вх
Таким образом, при	детектировании				сигнала, меньшего относительно

уровня шума, происходит заметное ухудшение отношения С/П, что может рас­

сматриваться как подавление слабого	сигнала сильной помехой. Так, если
А в = 0,1, то в соответствии с (6.53) Л	= 0,01, и т.д.
Однако если А вх » 1 (детектирование сильного сигнала), то в соответст­
вии с (6.53) Авых ^ А вх , т. е. сильный сигнал проходит через некогерентный
детектор без изменения отношения С/П.
Рассмотрим далее случай детектирования сигнала и шума в синхронном
(когерентном) детекторе (рис. 6.16,6) , где

у = (мп(0+мс(0)мс0(0;

(6.54)

uc (t) = t/mccoscof; un (t)

= t/m n(r)cos(cof +

;

(6.55)

McoW = U mocoso>t -

Подставляя (6.55) в (6.54), находим

U

U

л

U

nU

(Л

и

т с

и

л

У -

me

m 0

тО т п 4 '

тО

2

ч

+ ---------------- cos(2co? + ф) +

*cos2co? +

U

2

„ U

(t)

тО т п

' '

cosy ,

+ --------------

Umc Un,0

UmOU» u M

откудау я л

=УС+Уп,г№ у с -

> У п = ‘

• COSifi .

Дисперсия шума Dyn = (Уп -JV „)2 = j

c/mof/mn</ ) cos^

1

= ^ ^ тс ^ п

мощность сигнала

откуда

получаем,

что

отношение С/П на

выходе синхронного детектора равно

4,2

С/2

^ с

тс

2А

(6.56)

вых

—

=

вх

- 2

Как следует из

(6.56), между величинами А ш

и А вх в отличие от неко­

герентного детектора существует линейная зависимость, т. е.

синхронный де­

тектор не изменяет выигрыш в отношении С/П в зависимости от величины это­ го отношения на входе. Так, для приведенного численного примера Авых =

=0,2, что существенно больше, чем в случае некогерентного детектора.

Вслучае воздействия на синхронный детектор аддитивной смеси квазигармонических сигнала ис (?) и помехи ип (?) напряжение на выходе перемножителя в схеме рис. 6.16 определяется в соответствии с (6.54). Полагая, что сигнал и помеха —колебания с AM, нетрудно показать, что на выходе детек­ тора помеха преобразуется в колебание разностной частоты ц>п - сос (так называемых биений), сохраняя при этом закон модуляции.