Лабораторная работа
«Амплитудный детектор»
Теоретическая часть
Амплитудным детекторомназывается радиотехническое устройство, в котором осуществляется выделение изамплитудно-модулированного высокочастотного колебания (рис. 1а) модулированногосигнала (рис. 1в). Детектирование может осуществляться как в нелинейных, так ив линейных цепях с периодически изменяющимися параметрами. На практикеиспользуются нелинейные амплитудные детекторы.
/>
На рис. 1бпоказана функциональная схема нелинейного амплитудного детектора, содержащаянелинейный элемент (НЭ) и фильтр (Ф), пропускающий модулирующие колебания.
Придетектировании немодулированного высокочастотного сигнала выходное напряжениедетектора должно быть постоянным. В этом случае амплитудный детектор работаеткак выпрямитель переменного тока.
В зависимостиот величины входного сигнала различают квадратичный режим детектирования(слабый сигнал) и линейный (большой сигнал).
В качественелинейного элемента в амплитудном детекторе могу быть использованы: диод,триод, пентод или транзисторы.
В настоящейработе в схеме амплитудного детектора используется диод, а фильтром служитсглаживающий конденсатор. Такой детектор называют диодным. На рис. 2 приведенасхема диодного детектора.
/>
СопротивлениеR – это сопротивление техцепей или приборов, которые подключаются к выходу детектора.
Анализ работы «линейного»детектора
/>
Рассмотрение работыдетектора начнём со схемы, не содержащей конденсатор (см. рис. 3).
Будем считать, чтонапряжение Е (t)на входе меняется по гармоническому закону Е = Е/> sin wt,то есть сигнал не модулирован и детектор работает как выпрямитель. При большомуровне входного сигнала вольтамперную характеристику диода с достаточнойточностью можно аппроксимировать ломаной прямой, проведённой на рис. 4а.
/>
Этот случайдетектирования, при котором пренебрегают нелинейностью характеристики диода напрямой ветви, называется линейным.
Диод открыт втечение периода, когда на его аноде (т. А) имеется положительный относительнокатода (т. К) потенциал. В детекторах сопротивление диода R/> в открытом состояниимного меньше нагрузочного сопротивления, поэтому в этот отрезок времени большаячасть напряжения E падает на резисторе R. Форма выпрямленного напряжения U/> повторяет форму входногонапряжения Е(t).В течение другой половины периода диод закрыт и напряжение на выходевыпрямителя равно нулю. Из трафика (рис. 4в) видно, что выходное напряжениесильно пульсирует. Одним из основных параметров выпрямителя являетсякоэффициент пульсаций К/>. Коэффициентомпульсаций называется отношение амплитуды максимальной переменной составляющейна выходе к среднему значению выпрямленного напряжения. Среднее значениенапряжения (рис. 4в) или его постоянная составляющая равна
U/>= />/> = U/>/p = 0.318 U/>,
где U/> – амплитуда пульсацийнапряжения U/>. Следует заметить, что, поскольку прямоенапряжение на диоде очень мало, то можно считать U/>/>Е/>. Выпрямленное напряжение U/> содержит такжепеременные составляющие, из которых максимальную амплитуду U/> имеет составляющая основнойчастоты переменного напряжения Е.
Используяразложение в ряд Фурье, получаем
U/> = 1.57 U/>.
Отсюдаследует, что коэффициент пульсаций в схеме выпрямителя довольно высок
К/> = /> = 157%.
Дляуменьшения пульсаций напряжения применяют специальные сглаживающие фильтры.Простейшим фильтром может служить конденсатор большой ёмкости, которыйвключается параллельно нагрузочному резистору R (см рис. 2). Включениеконденсатора существенно изменяет условия работы диода.
Во времянекоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое,через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е/>. Зарядка конденсаторачерез сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. В то время,когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R и создаёт на нейнапряжение, которое постепенно снижается. На рис. 5 момент времени t/> – это тот момент, когдапотенциал катода в процессе зарядки конденсатора сравнивается с потенциаломанода и ток через диод прекращается, несмотря на продолжающийся положительныйполупериод напряжения Е(t). Конденсатор не успевает заметно разрядиться за время междуимпульсами тока диода, то есть за время Dt = t/> — t/>, так как RC>>Dt.Начиная с момента времени t/> положительной частисинусоидального напряжения, потенциал анода становится выше потенциала катодадиода и происходит быстрая подзарядка конденсатора до прежнего значениянапряжения на нём в момент t/>.
/>
Итак, зарядкаконденсатора через сравнительно малое сопротивление открытого диода происходитбыстро, разряд же на большое сопротивление нагрузки R совершается гораздомедленнее. Вследствие этих двух по разному текущих процессов напряжение наконденсаторе и включённой параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно.
Напряжение наконденсаторе U/> приложено плюсом к катоду, минусом каноду диода. Поэтому напряжение на диоде U/> определяется разностьюмежду входным напряжением Е и напряжением на конденсаторе.
U/> = Е – U/>
Максимальноеобратное напряжение на диоде получается при отрицательном значении входногонапряжения Е = – Е/>. Посколькунапряжение на конденсаторе также близко к Е/>,то наибольшее обратное напряжение близко к 2 Е/>.На рис. 5 указан момент времени t/>, когда реализуется наибольшее обратноенапряжение. Таким образом, применение удваивает обратное напряжение посравнению с его значением при отсутствии конденсатора. Как следствие, диодследует подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение.
Практическая часть
1. ПолучимВАХ диода на осциллографе при двух различных значениях нагрузочногосопротивления (графики 1 и 2).
2. Соберёмсхему диодного выпрямителя без конденсатора, получим осциллограмму выходногосигнала (график 3).
3. Включимв схему конденсатор и получим осциллограммы выходного сигнала в зависимости отчастоты fпри ёмкости С = 0.05мкФ (графики 4–6) и от ёмкости конденсатора при частоте f = 9000Гц (графики 7–9).
Вывод
В даннойработе мы изучали амплитудный детектор; получили вольтамперную характеристикудиода, по виду которой определили величину прямого напряжения, начиная скоторого возможна линейная аппроксимация ВАХ. Также мы изучали форму выходногосигнала диодного выпрямителя в зависимости от величины емкости конденсатора С ичастоты f.Все зависимости совпадают с теоретическими.
Литература
1. В.Н. Ушаков. «Основы радиоэлектроники ирадиотехнические устройства». М., «Высшая школа», 1976
2. Е.И. Манаев. «Основырадиоэлектроники». М., «Радио и связь», 1985