Диодный детектор сигналов АМ

Детектор сигналов АМ предназначен для того, чтобы из ВЧ АМ сигнала получить НЧ модулирующий сигнал. Схема простейшего амплитудного диодного детектора показана на рис.8.1.

 

                                      Д

                                            ^{Æ                                                                              Æ}

 

                             u_AM(t)        R                   C uнч(t)   

 

                                                                                                    Рис.8.1.

                                             ^{Æ                                                                             Æ}

Назначение нелинейного элемента, диода – преобразование ВЧ АМ сигнала, его нелинейное преобразование с целью создания нужных нам низких, модулирующих частот.

 Назначение линейной цепи, т.е. RC фильтра нижних частот (ФНЧ),

выделение низкой частоты, т.е. выделение спектра модулирующего сигнала.

Вольамперная характеристика ВАХ  диода показана на рис. 8.2.

                                       i

 

 

                                                                                     Рис. 8.2.

                                         -A 0 A       u

 

 

1. Для маленьких напряжений ВАХ диода хорошо аппроксимируется полиномом 2-ой степени (i = aU ²), поэтому детектор для маленьких напряжений называется квадратичным. Рабочий участок ВАХ для квадратичного детектора А-А (рис.8.2).

2. Для больших напряжений ВАХ диода аппроксимируется отрезками прямых (линейно-ломанная аппроксимация).    

Для сигналов с большой амплитудой детектор называется "линейным".

                                              i

                                                                                       заданная ВАХ

                                                                               аппроксимирующая ВАХ

 

 

                                                                  

                                                          ^a                    Рис.8.3.

                                 Б                        Б  u

 

Рабочий участок Б-Б не линейный, а линейно-ломанный.

 

Квадратичный детектор.

Как мы уже говорили, в этом случае ВАХ диода аппроксимируется полиномом второй степени и, следовательно, для определения спектра тока через диод используется метод "кратных дуг". На вход детектора подаем амплитудно-модулированный сигнал, т.е. выражение для АМ сигнала надо подставить в полином:

i = aU² = / U_вх(t)= U_ам(t) = U_m(1+M_acos(Wt)cos(w₀t) / =

 =aU²_m(1+M_acos(Wt))²cos²(w₀t)=aU²_m(1+2M_acos(Wt)+ =               (8.1)

 В соответствии с полученным выражением построим спектр тока через диод (см. рис.8.4):

       i

 

 

                                                                                             Рис.8.4.

         0 W 2W            (2w₀ - 2W) 2w₀  (2w₀ +2W)        w         

                                                        (2w₀ - W)   

                                                                            (2w₀ +W)

ФНЧ выделяет низкочастотные составляющие тока, т.к. его АЧХ, показанная пунктиром на рисунке 8.4 имеет вид:

 Следовательно, ФНЧ выделяет:                

- постоянную составляющую с частотой равной 0,

_- полезную составляющую с частотой модулирующего колебания W,то есть: I_W= aU_m² M_А,

- вторую гармонику полезного сигнала с частотой 2W, I_2*W = , которая определяет степень нелинейных искажений полезногосигнала.

Постоянная составляющая легко отделяется разделительной емкостью, которая включается между выходом детектора и входом следующего каскада (обычно, это УНЧ).

При квадратичном детектировании кроме полезной составляющей с частотой W возникают нелинейные искажения полезного сигнала с частотой 2W. Коэффициент нелинейных искажений равен:

К_н.ч.=                         (8.2)

Чем глубже, т.е. лучше модуляция, тем больше нелинейные искажения.

 

Линейный детектор.

Для сильных сигналов с большой амплитудой ВАХ диода аппроксимируется отрезками прямых (см. рис.8.3).

i = , где S=tg a

Метод анализа: метод «угла отсечки». Ток через диод имеет вид импульсов, которые мы можем представить в виде ряда Фурье. Таким образом, ток через диод может быть записан в виде:

i =

I_k=I_max (t)a_k(q)=  

                                     (8.4)

Спектр тока через диод для режима "линейный детектор" показан на рис.8.5.

 

       i

                                                                                                Рис.8.5.

 

                                                                                                         ……..

                                                                                                                       w

         0 W                     (w₀-W) w₀ (w₀+W)    (2w₀-W) 2w₀ (2w₀ +W)

 

Спектр тока содержит только полезную, модулирующую частоту W в низкочастотной области. При линейном детектировании отсутствуют нелинейные искажения полезного сигнала. ФНЧ отфильтровывает высокочастотные составляющие тока, ослабляет их в соответствии с сопротивлением RC цепи для разных частот:

                                                   (8.5)

Напряжения различных составляющих на выходе ФНЧ, соответственно, равны:

U₀₀ = SU_m(1+cosq)a₀(q)R - напряжение постоянной составляющей,

 - напряжение низкой, модулирующей частоты,

 - напряжение несущей частоты.

 

Cпектр напряжения на выходе RC-цепочки имеет вид:

       u

                                                                                                Рис.8.6.

 

                                                                                                         ……..

                                                                                                                       w

         0 W                     (w₀-W) w₀ (w₀+W) (2w₀-W) 2w₀ (2w₀ +W)  

Сравнение спектров рис.8.5 и 8.6 показывает, что ФНЧ заметно ослабляет несущую частоту по сравнению с низкой частотой, т.е. улучшает качество детектирования.