Диодное детектирование радиоимпульсов

Детекторы радиоимпульсов применяются в приемниках импульсных сигналов. Схема диодного детектора радиоимпульсов и предшествующего усилителя показана на рис. 82.

Рисунок 82 – Схема диодного детектора радиоимпульсов

Предположим, что на входе усилителя действует радиоимпульс с идеальной прямоугольной огибающей (рис.83, а); в реальных условиях огибающая имеет определенное установления и время спада переднего и заднего фронтов импульса. Полосу пропускания контура усилителя полагаем настолько широкой, что при отключенном детекторе напряжение на нем имеет практически прямоугольную огибающую (штрихпунктирная линия на рис.83, б). Напряжение действует на входе диодного детектора.

В начальный момент времени на диод поступает первая положительная полуволна напряжения , диод открывается и происходит заряд конденсатора от нулевого напряжения; при напряжении на диоде, равном нулю, конденсатор начинает разряжаться.

Рисунок 83 – Диаграммы, отображающие принцип работы диодного детектора радиоимпульсов

При подаче на диод второй положительной полуволны напряжения конденсатор начинает заряжаться с не нулевого напряжения, а с некоторого конечного значения, до которого успевает разрядиться за первый полупериод напряжения .

В третий полупериод конденсатор заряжается от напряжения более высокого, чем напряжение на нем в конце второго периода, и т.д.

В результате серии зарядов и разрядов напряжение на конденсаторе (рис.83, б) устанавливается. При этом напряжение при заряде увеличивается настолько, насколько оно уменьшается за время разряда конденсатора . После окончания действия радиоимпульса конденсатор разряжается через резистор и напряжение на выходе детектора спадает по экспоненте.

Из диаграммы рис.83, в видно, что в процессе установления напряжения на меняется угол отсечки тока диода. В начальный момент времени , т.е. ток через диод протекает практически в течение первого полупериода напряжения . По мере установления угол уменьшается, стремясь при фиксированном значении к установившемуся значению .

Таким образом, в процессе установления напряжения изменяются угол отсечки, продолжительность протекания и максимальное значение тока через диод (рис.83, в). это приводит к изменению постоянной составляющей и амплитуды первой гармоники тока диода. Изменение вызывает изменение входного сопротивления детектора .

Так как в начальный момент действия радиоимпульса , то

,

где - внутреннее сопротивление открытого диода.

В детекторе радиоимпульсов имеют место два переходных процесса, приводящих к искажению импульса при детектировании. Во-первых, искажается передний фронт продетектированного напряжения при подаче радиоимпульса на вход детектора; во-вторых, изменяется задний фронт продектированного импульса после окончания действия радиоимпульса (рис.84).

Как показывает теория и эксперимент, установление происходит быстрее, чем спад продетектированного импульса.

Физически это объясняется тем, что процесс установления связан с зарядом конденсатора через диод, который имеет сравнительно малое сопротивление. Однако диод открыт не весь период высокочастотного напряжения, а только часть его, равную . Это приводит к увеличению времени установления напряжения по сравнению с тем, которое реализуется, если диод открыт весь период. Процесс спада связан с разрядом конденсатора через резистор с большим сопротивлением.

Рисунок 84 – График продетектированного импульса

Следовательно, задний фронт продетектированного импульса искажается больше, чем передний. Поэтому искажения импульса при детектировании обычно оценивают по времени спада его заднего фронта.

Спад заднего фронта продетектированного импульса происходит по экспоненте ; отсчет времени ведут от .

Принято считать, что время спада – это интервал времени, в течение которого напряжение убывает от до . Тогда согласно рис.9, ; . Решив эти выражения относительно и для , получим .

Считается допустимым, если . Тогда постоянная времени нагрузки .

Для уменьшения искажений продетектированного импульса необходимо обеспечить малое , для чего следует снижать . Уменьшение приводит к снижению детектора, а следовательно, к более сильному шунтированию входного контура и уменьшение коэффициента передачи детектора. При требуемом значении стремятся по возможности уменьшать . Однако при емкости , соизмеримой с емкостью диода, к диоду прикладывается напряжение промежуточной частоты, существенно меньшее (рис.82). поэтому нужно, чтобы .

Пиковый детектор

Пиковый детектор (ПД) предназначен для детектирования импульсов постоянного тока; напряжение на его выходе пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов. В простейшем случае это можно осуществить с помощью линейного - фильтра нижних частот по схеме рис.85.

Рисунок 85 – Схема линейного - фильтра нижних частот

Напряжение на выходе фильтра

,

где - скважность импульса.

Коэффициент передачи

.

При высокой скважности коэффициент мал, поэтому этот способ детектирования целесообразно применять при .

Если скважность импульсов велика, то для увеличения применяют пиковый диодный детектор, схема которого аналогична схеме диодного детектора АМ-колебаний. Учитывая, что обычно ПД подключают к видеоусилителю с резисторной нагрузкой, чаще всего используют параллельный детектор (рис.86).

Рисунок 86 – Параллельный пиковый детектор

Поскольку на входе ПД действует импульсное напряжение, режимы работы ПД и АД различны.

Временная трактовка принципа работы ПД. На вход ПД поступают видеоимпульсы (рис.87), которые подаются на диод в положительной полярности.

Рисунок 87 – Временная трактовка принципа работы пикового детектора

До воздействия первого импульса диод закрыт батареей . Первый импульс открывает диод, и конденсатор начинает через диод заряжаться; по окончании действия импульса конденсатор разряжается через резистор , благодаря большой постоянной времени цепи разряда напряжение на уменьшается незначительно. Процесс устанавливается, когда за время заряда в конденсаторе накапливается такое же количество электричества, как и за время разряда, т.е. при (рис.87).

Строго говоря, на рис.87 показано изменение не продетектированного напряжения , а напряжение на конденсаторе ; однако при высокой скважности видеоимпульсов .

Спектральная трактовка принципа работы ПД. При достаточно большой емкости конденсатора можно считать .

Диаграммы напряжения и тока диода при детектировании видеоимпульсов для установившегося режима показаны на рис.88.

Напряжение на диоде

,

максимальное значение импульсов тока диода

постоянная составляющая тока диода

.

Рисунок 88 – Спектральнаяя трактовка принципа работы пикового детектора

Постоянная составляющая тока диода , протекая по цепи , создает на резисторе напряжение

.

Решив это выражение относительно , получим

.

Если батарея начального смещения отсутствует, т.е. , то

и коэффициент передачи ПД

.

При нахождении входной проводимости необходимо учитывать, что ПД потребляет от источника сигнала мощность, определяемую всеми гармониками тока диода:

.

Выводы:

1. При высокой скважности видеоимпульсов их детектирование осуществляют с помощью параллельного диодного детектора.

2. Коэффициент передачи пикового детектора всегда меньше единицы, он зависит не только от параметров детектора, но и от скважности видеоимпульсов. Для увеличения коэффициента передачи нужно выбирать диод с большей крутизной, а резистор нагрузки – с большим сопротивлением.