二极管包络检波器
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  • 发表时间:2019-09-21 02:06
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  高频电子线 调幅信号的解调电路 调幅信号的解调电路(检波器)分为: 1、包络检波器 解调输出的信号电压与输入已调波电压的包 络成正比,所以只适用于AM信号的解调。 2、同步检波器 可以对任何一种调幅信号(AM、DSB、SSB等) 实现线性解调。 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线 包络检波器 实现包络检波过程的电路为包络检波器。 包络检波器分类: 一、根据所用器件不同可分为 1、二极管包络检波器 (1)串联型二极管包络检波器 (2)并联型二极管包络检波器 2、三极管包络检波器; 二、根据信号的大小不同可分为 1、小信号平方律检波器 2、大信号检波器。 主讲 元辉 高频电子线路 一、串联型二极管峰值包络检波器 串联型二极管峰值包络检波 RC并联网络相当 于低通滤波器 器的原理电路如图4.4.1所示。 1.工作原理 由图4.4.1可见, 当加在二极管上的正向电压为 ? i ? V im co s ? t 设计一个解调方 ? ? g D? , ? ? 0 案,你会如何设 流过二极管的电流 i ? ? 0 , ??0 计? 冲击响应函 ? ? 数采样+低通滤波 1 1 远大于 RL 远小于 RL 及 电路参数要求 ?c C ?C 设 ? D ( on ) ? 0 思考:如果让你 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 其中 ?c为输入高频调幅信号的载频、 ? 为调制信号频 率。理想情况下, R L C 低通滤波器的阻抗 Z ( ? )应满足 Z (? c ) ? 0 Z (? ) ? R L 若 ? i ? V im co s ? t 工作原理可以由图 4.4.2描述。 图4.4.2 输入信号为高频等 幅正弦波的检波过程 流经二极管上的电流 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 影响输出电压的主要因素: 若R一定,令C增大,则放电、充电慢,使 ? 大,所 以波动小,?o 小。 若C一定,R增大,则充电速度快,放电慢,波动大, ?o 大。 充电的过程中, 电容已经开始有 反向,使得电流 开作用始下降。 所以,在导通角 范围内,电流先 从0到最高点,再 回到0 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 当输入为调幅波时的检波器工作波形如图4.4.3所示。 流经二极管上的电流 图4.4.3 输入为调幅波情况下的检波器工作波形 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线.性能指标 V?m ?o (1) 检波效率: ?d ? M V ? V ? cos ? a im im 可以证明 ? ? 3 3? gD R (4.4.1) (4.4.2) (2)等效输入电阻 Ri 证明:功率守恒,输入功率: 2 2 1 Ri ? RL 2 (4.4.3) V (? V ) 输出功率: av ? d im ? Po RL RL 2 Vim 2Ri 2 ? Pi 2 于是 Vim ? (?dVim ) ?d ? 1 2Ri RL 1 所以 Ri ? RL (4.4.4) 2 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 在接收设备中, 检波器前接有中频放 大器,如图4.4.4所 示。所以,等效输入 电阻 R 就是中频放大器的负载。 i 图4.4.4 中频放大器与检波器级联 所以应尽量加大RL,以增加中频放大器增益、提 高接收机灵敏度。 但 RL的增大受到检波器中非线所示的三极管射极 包络检波电路,可以提高 R 。 i 1 Ri ? (1 ? ? ) RL 2 多用于集成电路中。 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线、二极管包络检波器中的失线)惰性失真(对角线切割失真) 产生的原因:它是在调幅波包络下降时,由于时间 常数太大(图中时间 t1 t2内),电容C的放电速度跟不上 输入电压包络的下降 速度。这种非线性失 真是由于C的惰性太大 引起的,所以称为惰 性失真。 放电时间太长,与高频信号的变化相比,电容 图4.4.6 惰性失真 的反向作用太强烈(检波器“太懒惰”) 主讲 元辉 高频电子线路 避免惰性失线? M a RL C ? ?M a (4.4.5) 为了保证在 ??? max 时也不产生失线? M a RL C ? ? max M a 证明过程,见课本。原 则:在任何一个高频周 期内,包络的下降速度 都要小于等于电容的放 电速度 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线)底部切割失真(负峰切割失真) 负峰切割失真产生的原因: 检波器的直流负载阻抗 Z L (0) 与交流(音频)负载阻抗 Z L ( ? ) 不相等,而且调幅度 M 太大时引起的。 a 通常情况下,检波器输出须通过耦合电容 CC 与输入等 效电阻为 Ri 2 的低频放大 器相连接,如 图4.4.7所示。 图4.4.7 计入耦合电容 CC 和低放输入等效电阻 Ri 2 后的检波电路 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线 计入耦合电容 CC 和低放输入等效电阻 Ri 2 后的检波电路 检波器输出是在一个直流电压上迭加了一个音频交 流信号,即 ? o ( t ) ? V O ? ? ? ( t ) 为了有效地将检波后的低频信号耦合到下一级电路, 1 要求 远远小于 Ri 2 ? CC 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线 计入耦合电容 CC 此电压反向加在二极管两端,如图4.4.7所示。 主讲 元辉 高频电子线路 当输入调幅 波的调制系数 M a 较小时,这个电压 的存在不致影响二 极管的工作。 当调制系数 M a 较大时,出现V im (1 ? M a ) ? V R 如图4.4.8(a)所示。 割掉了。如图4.4.8(b)所示。 主讲 元辉 4.4.1 图4.4.8 负峰切割失真 造成二极管截止,结果造成输出低频电压负峰切 高频电子线 愈小,则 RL 上的分压值VR 愈大,这种失真 M a 愈大,则 (1 ? M )V 愈小,这种失 愈易产生。另外, a im 线(a) 可见,要防止这 种失真的产生, 必须使包络线的 最小电平大于或 等于 VR。避免产 生负峰切割失真 的条件为: RL Vim (1 ? M a ) ? Vim Ri 2 ? R L 或 Ma ? 主讲 元辉 Ri 2 Z L (? ) ? Ri 2 ? R L Z L (0) (4.4.7) 4.4.1 高频电子线中, CC 容量较大,对音频来说, 可以认为是短路。因此,检波器的交流负载阻抗 Z L ( ? )为 R L Ri 2 Z L ( ? ) ? R L // Ri 2 ? R L ? Ri 2 检波器的直流负载阻抗 (4.4.8) Z L (0 ) ? R L 显然 Z L (0 ) ? Z L ( ? ) (4.4.9) (4.4.10) 实际上,现代设备一般采用 Ri 2 很大的集成运放,不 会产生底部切割失线 高频电子线路 在分离元件的 电路中,通常采用 如图4.4.9所示的分 负载电路。依此减 少 Z L (0)与 Z ( ? ) 的差别。 L 图4.4.9 分负载检波电路 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线是某收音机二极管检波器的实际电路。 图4.4.10 收音机中的实际二极管检波电路 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线、设计考虑(自学) 设计二极管包络检波器的关键在于:正确选用晶体 二极管,合理选取 RLC 等数值,保证检波器提供尽可 能大的输入电阻,同时满足不失线)检波二极管的选择 为了提高检波电压传输系数,应选用正向导通电阻rD 和极间电容 CD 小(或最高工作频率高)的晶体二极管。 为了克服导通电压的影响,一般都需外加正向偏置,提 供(20~50)?A静态工作点电流,具体数值由实验确 定。 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线) R L C 和 C的选择 首先根据下述考虑确定 R L C 的乘积值。 1)从提高检波电压传输系数和高频滤波能力考虑, RL应尽可能大。工程上,要求它的最小值满足下列条件 5 ~ 10 RL C ? ?c 2)从避免惰性失真考虑,允许 R L C 的最大值满足下 列条件 1 ? M a2max RL C ? ? max M a max 工程分析时,取 R L C ? m ax ? 1 .5 即可 。 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 因此,要同时满足上述两个条件, R L C 可供选用的数 值范围由下式确定: 5 ~ 10 1.5 (4.4.11) ? RLC ? ?c ? max R L C 值确定后,一般可按下列考虑分配RL和C的数值。 ① 为保证所需的检波输入电阻 Ri ,RL 的最小值应满足 下列条件 R L ? 2 Ri 或 R L ? 3 Ri (4.4.12) ② 为避免产生负峰切割失真,RL的最大允许值应 满下列条件: 1 ? M a max RL ? Ri 2 M a max 主讲 元辉 (4.4.13) 4.4.1 高频电子线路 若采用集成运放作为低频放大级,该条件可以忽略。 因此,要同时满足上述两个条件 RL的取值范围应为 1 ? M a max 2 Ri (或 3 Ri ) ? R L ? Ri 2 M a max 验求得的 C 值是否满足下列条件 C ? 10C D (4.4.14) ③ 当 RL 选定后,就可按 R L C 乘积值求得 C,但应检 (4.4.15) ④ 当采用分负载电路时 RL1和 RL 2 的数值可按 R L 1 R L 2 ? 0 .1 0 .2 进行分配,而 C1和 C2均可取为 C 2。 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 二、并联型二极管包络检波器 有些情况下,需要在中频放大器和检波器之间接入 隔直流电容,以防止中频放大器的集电极馈电电压加 到检波器上,为此可以采用并联型二极管包络检波器。 如图4.4.11所示。 电容C可以通过低频和高频信号, 输出信号需要继续外接低通滤波器 才可以完成检波 图4.4.11 并联型二极管包络检波器 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 电路的工作波形如图4.4.12所示。 这个波形图不正确 图4.4.12 并联型包络检波器工作波形 当 V o ? V im 时,可以证明: 1 Ri ? R L 3 (4.4.16) 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线路 显然比串联型电路的等效输入电阻小,不利于提 高中频放大器的电压增益。 图4.4.13为并联型包络检波器的实际电路。 图4.4.13 并联型包络检波器的实际电路 主讲 元辉 4.4.1 高频电子线 主讲 元辉 高频电子线 同步检波器 同步检波(Synchronous Detector)又称为相干检 波,主要用于解调DSB和SSB信号,有乘积型和叠加型两 种方式,其组成框图分别为图4.4.14所示。 图4.4.14 两种方式同步检波器的组成框图 (a)乘积型 (b) 叠加型 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 一、乘积型同步检波器 1、当同步信号与发送端的载波信号不同频同相的 情况下,解调输出的信号会是怎样呢? 若同步信号?r与发射端载波不同步,二者之间存在 一相位差? ? t ? ,其一般表示式为 ? ?t ? ? ?? ?t ? ?0 ? ? 表示两个载波之间的频率误差,即 (4.4.17) 式中?0 为一常量,表示两个载波之间的相位误差, ? r ( t ) ? V rm co s ? ?? c t ? ? ? t ? ? ? 主讲 元辉 (4.4.18) 4.4.2 高频电子线路 则乘法器的输出为 ? o1 (t ) ? k? i (t )? r (t ) ? kVrmVim cos ? t cos ? c t cos ?? c t ? ? (t ) ? 1 ? kVrmVim cos ? t ?cos ? ? cos[2? c t ? ? (t )]? 2 1 ? o ( t ) ? kV rmV im cos ? ( t ) cos ? t 2 低通滤波器的输出为 (4.4.19) 从上式可以看出,相角? ( t )的存在将直接影响解调输出。 (1)若? ( t ) ? ? 0 是一常数,即同步信号与发射端载波 同频不同相,则解调输出的低频分量仍与原调制信号成 正比,只不过振幅有所减小。 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 ? ,否则 c o s ? ( t ) ? 0 将无解调输出。 2 (2)若 ? ( t ) 是随时间变化的,即 ? ? t ? ? ? ? ? t ,则 当然? (t ) ? ? ? r ( t )与发射端载波之间不再同频,这时输出为: 1 ? o ( t ) ? kV rmV im cos( ? ? t ? ? 0 ) cos ? t 2 (4.4.20) 主讲 元辉 高频电子线、同步信号的获得 获得? r ( t ) 的电路(称之为载波恢复或载波提取电路) 各不相同,如图4.4.15所示。 图4.4.15 同步检波器方框图 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线)解调AM信号 载波恢复电路的组成框图见图4.4.16。 图4.4.16 解调AM信号时的载波恢复电路的框图 (2)解调双边带信号 采用非线性变化方法,组成方框图如图4.4.17 (a)所示,其工作波形如图(b)所示。 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线 解调DSB信号时的载波恢复电路的组成框图及工作波形 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 如若输入信号为单频率调制的DSB信号,即 ? i (t ) ? ? D SB (t ) ? V m c o s ? t c o s ? ct 经平方器后的输出为 2 2 2 2 ? 1 (t ) ? ? D ? V c o s ? t c o s ? ct SB m 1 2 ? V m (1 ? cos 2 ? t )(1 ? cos 2 ? c t ) 4 (4.4.21) 经过带通滤波器取出 1 (4.4.22) ? 2 ( t ) ? V m2 cos 2? c t 4 经过二分频可得到同步信号,大家可自行分析当 输入为多频率调制的DSB信号情况下的工作过程。 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线)解调单边带信号 A、在发射端发射单边带信号的同时发射导频信号, 在接收端采用高选择性的窄带滤波器从输入信号中取出 该导频信号,经过放大后即可作为同步信号。 B、采用高稳定度的晶体振荡器产生指定频率的同步 信号。 但这种方法产生的同步信号不可能与原载频同步, 只能将这种不同步量限制在允许的范围内。 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线、乘积型同步检波电路举例 ⑿脚单端输出后经RC П型低通滤波器取出解调信号。 ?o 图4.4.18 MC1596组成的同步检波电路 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 二、叠加型同步检波器 原理电路如图所示: 若 ? r ( t ) ? V rm c o s ? c t 当 ? (t ) ? V c o s ? t c o s ? t i im c 为双边带信号时,合成电压: ? ( t ) ? ? i ( t ) ? ? r ( t ) ? V rm c o s ? c t ? V im c o s ? t c o s ? c t Vim ? V rm (1 ? cos ? t ) cos ? c t V rm ? Vrm (1 ? M a cos ?t )cos ?ct Vim ?1 ? V im 时, M a ? Vrm 主讲 元辉 (4.4.23) 条件:若 V rm 4.4.2 高频电子线路 当? i ( t ) ? V im c o s ( ? c ? ? ) t 为单边带信号时,合成电压 ? ( t ) ? ? i ( t ) ? ? r ( t ) ? V im c o s ( ? c ? ? ) t ? V rm c o s ? c t ? (V r m ? V im c o s ? t ) c o s ? c t ? V im s in ? t s in ? c t ? Vm cos(?c t ? ? ) (4.4.24) ?V ? (V ? V cos ? t ) 2 ? (V sin ? t ) 2 rm im im ? m 式中: ? Vim sin ? t ? ? ? arctg ? Vrm ? Vim cos ? t ? (4.4.25) 显然,合成信号的包络和相角均受到调制信号的控 制,不能不失真地反映原调制信号的变化规律。所以, 一般情况下,由包络检波器构成的叠加型同步检波器不 能对单边带信号实现线性解调。 主讲 元辉 高频电子线路 将Vm改写为 V ? V 1 ?( Vim ) 2 ? 2 Vim cos ? t m rm V rm V rm (4.4.26) ? (t ) ? Vm coscos(?ct ? ? ) 若满足V rm V im ,上式可以简化为 V im 1 V im 2 V m ? V rm [1 ? cos ? t ? ( ) cos 2 ? t ? ] (4.4.27) V rm 2 V rm 所以若忽略掉高次方项,失真可以减小到允许值。 如:忽略上式中的三次方及其以上的各项,经三角 变换后可得 V 1 V 1 V V m ? V rm [1 ? ( im ) 2 ? im cos ? t ? ( im ) 2 cos 2 ? t ] 4 V rm V rm 4 V rm (4.4.28) 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 二次谐波失线 Vim ? ? V? m 4 V rm Vrm (4.4.29) V 若要求 k f 2 ? 2.5%,则要求 im ? 0.1 通过上述分析知: 当采用包络检波器构成同步检波电路用以解调单 边带信号时,为将 k f 2 限制在允许的范围内,必须要 求同步信号? r ( t ) 有足够大的振幅 Vrm。 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线路 实际上,为了进一步抵消众多的失真频率分量,可 以采用平衡式同步检波器。如图4.4.20所示。可以证 明,它的解调输出电压中抵消了及其以上的各偶次谐 波分量。 图4.4.20 平衡叠加型同步检波器 主讲 元辉 4.4.2 高频电子线 主讲 元辉