检波与混频电路学习笔记

检波与混频电路学习笔记(线性频率变换电路)(3)分类检波器概述(1)作用(2)实质从高频调幅波中解调出原调制信号检波器实际上是一种频谱搬移电路1检波电路1二极管大信号包络检波器1.大信号包络检波的工作原理(1)电路组成ZL+-uiVDRC+-uiRui+-Crd它是由输入回路、二极管VD和RC低通滤波器组成。RC低通滤波电路有两个作用：①对低频调制信号uΩ来说，电容C的容抗，电容C相当于开路，电阻R就作为检波器的负载，其两端产生输出低频解调电压RC1②对高频载波信号uc来说，电容C的容抗，电容C相当于短路，起到对高频电流的旁路作用，即滤除高频信号。RCc1理想情况下，RC低通滤波网络所呈现的阻抗为:RZZZ)(0)()(cL(2)工作原理分析+uD-+-uoiduD=ui-uoRi充+-uoi放+-ui+-uiVDRCui+-Crd当输入信号ui(t)为调幅波时，那么载波正半周时二极管正向导通，输入高频电压通过二极管对电容C充电，充电时间常数为rdC。因为rdC较小，充电很快，电容上电压建立的很快,输出电压uo(t)很快增长。作用在二极管VD两端上的电压为ui(t)与uo(t)之差，即uD=ui-uo。所以二极管的导通与否取决于uD当uD=ui-uo0，二极管导通；当uD=ui-uo0，二极管截止。ui(t)达到峰值开始下降以后，随着ui(t)的下降，当ui(t)=uo(t)，即uD=ui-uo=0时，二极管VD截止。C把导通期间储存的电荷通过R放电。因放电时常数RC较大，放电较缓慢。检波器的有用输出电压：uo(t)=uΩ(t)+UDCUDCuΩ(t)tuo(t)Δucui(t)uo(t)ui(t)与uo(t)tididi充i充i放i放+-+-图4.2二极管峰值包络检波器的包络检波波形检波器的实际输出电压为：uo(t)+Δuc=uΩ(t)+UDC+Δuc当电路元件选择正确时，高频纹波电压Δuc很小，可以忽略，输出电压为：uo(t)=uΩ(t)+UDC包含了直流及低频调制分量。图(a)：电容Cd的隔直作用，直流分量UDC被隔离，输出信号为解调恢复后的原调制信号uΩ，一般常作为接收机的检波电路。图(b)：电容Cφ的旁路作用，交流分量uΩ(t)被电容Cφ旁路，输出信号为直流分量UDC，一般可作为自动增益控制信号（AGC信号）的检测电路。UDCuΩ(t)Δuctuo(t)ui(t)uo(t)ui(t)与uo(t)t峰值包络检波器的应用型输出电路+-UDC（b）ui+-CVDRφRCφ+-uoui+-CVDRL+-uΩRCd+UDC-+-uo（a）由于充放电过程交替进行,因此uo波形呈锯齿状变化。可以归纳出以下几条规律:(1)由于rdCRC,故uo上升快,下降慢。(2)除了起始几个周期外,二极管导通时间均在输入高频振荡信号的峰值附近,如t4～t5,t6～t7,…,且时间很短,或者说,其导通角θ很小。(3)在正常情况下,导通角θ越小,uo曲线与ui的包络线越接近。若θ趋近于0,则uo曲线就几乎完全反映了ui的包络线即调制信号波形,此时检波效率最高,失真最小。imamiodUUuuMo中调制分量振幅输入中低频分量振幅输出ttmUuucaimAMicos)cos1(oAMoiDuuuuu若设输入信号)(tuo输出信号为,则加在二极管两端的电压uDiDuoUimθ如果以右图所示的折线表示二极管的伏安特征曲线（注意在大信号输入情况下是允许的），则有：)(cos)cos1()()(tuttmUgtuugtiocaimdoAMdd当tc时0)(tid有：tUUtUmUtmUtumDCimaimaimocoscoscoscoscos)cos1()(可见)(tuo有两部分：低频调制分量：tUtumcos)(其中：cosimamUmU直流分量：cosimDCUU(1)检波效率ηd定义：2.电路主要性能指标+uD-ui+-CVDR+-uocoscosoimaimaimamdUmUmUmU有为电流导通角。其中另外，还可以证明导通角的表达式：RgtgdRgdRgd而当很大时，(如50,θ很小时)3533115231tg33π33RrRgdd代入上式可得：仅当gD为常数时,θ才为常数,ηd也才为常数,此时输出信号振幅Uom与调制信号振幅MaUim近似成线性关系。由于仅在大信号工作时,二极管的导通电压才可以忽略，这时二极管伏安特性用折线近似，电导gD可视为常数,因此峰值包络检波电路仅适合于大信号工作。ttmUucaimicos)cos1()cos1()(tmUtuaimdocosdR（2）检波的等效输入电阻idR峰值检波器常作为超外差接收机中放末级的负载，故其输入阻抗对前级的有载Q值及回路阻抗有直接影响，这也是峰值检波器的主要缺点。讨论：①当VD和R确定后，θ即为恒定值，与输入信号大小无关，亦即检波效率恒定，与输入信号的值无关。表明输入已调波的包络与输出信号之间为线性关系，故称为线性检波则输出信号为：②当1d1d但理想值50gR9.0d一般当，一般计算方法为：当输入信号为：33π33RrRgDd检波器的输入电阻Rid是为研究检波器对其输入谐振回路影响的大小而定义的，因而，Rid是对载波频率信号呈现的参量。若设输入信号为等幅载波信号tUucimicos+-uo中放末级RsVDRCsCLsisRid+-uiηdUimui(t)t忽略二极管导通电阻rd上的损耗功率，由能量守恒的原则，检波器输入端口的高频功率id2im2RURU2im2d全部转换为输出端负载电阻R上消耗的功率即有RURU2im2did2im2又因ηd=cosθ≈1RR21id所以(1)惰性失真会造成输出波形不随输入信号包络而变化，从而产生失真，这种失真是由于电容放电惰性引起的，故称为惰性失真。在二极管峰值型检波器中，存在着两种特有失真：惰性失真底部切割失真3.包络检波器的失真一般为了提高检波效率和滤波效果，（C越大，高频波纹越小），总希望选取较大的R，C值，但如果R，C取值过大，使R，C的放电时间常数RC所对应的放电速度小于输入信号(AM)包络下降速度时，(2)产生惰性失真的原因：R、C过大使二极管在截止期间C的放电速度太慢，以致跟不上调幅波包络的下降速度。输入AM信号包络的变化率RC放电的速率(3)避免产生惰性失真的条件：在任何时刻，电容C上电压的变化率应大于或等于包络信号的变化率，即ttUtuAMC)(tui(t)与uc(t)uc(t)ui(t)另外，在二极管截止瞬间，电容两端所保持的电压近似等于输入信号的峰值。即ttmUuaimi0cos)cos1()cos1()(tmUtUaimAM1sin)(tUmttUimaAM)cos1(tmUuaimCRCttaimCetmUtu1)cos1()(1)cos1(111tmURCtuaimttC11sin)cos1(1tmUmtmURCaimaim若设输入信号AM信号：包络信号为：在t1时刻包络的变化率:那么电容C通过R放电的电压关系为：时刻不产生惰性失真的条件为：1t所以要求在(4)分析：则有：1cos1sin11tmtmRCAaa1t)(tUAMCu实际上不同的，和下降速度不同。为在任何时刻都避免产生惰性失真，必须保证A值取最大时仍有1maxA故令:0dtdA0cos1sincos)cos1(22222tmtRCmttmmRCdtdAaaaa即：;cosamt221cos1sinamtt可解得：aammRC21有实际应用中，由于调制信号总占有一定的频带(Ωmin～Ωmax)，并且各频率分量所对应的调制系数ma也不相同，设计检波器时，应该用最大调制度mmax和最高调制频率Ωmax来检验有无惰性失真，其检验公式为可见，ma，Ω越大，信号包络变化越快，要求RC的值就应该越小。maxmax2max1mmRC)cos1(tmUaimUim(1-ma)(2)底部切割失真1)原因：一般为了取出低频调制信号，检波器与后级低频放大器的连接如图所示，为能有效地传输检波后的低频调制信号，要求：UimRRRUULDCRUR二极管截止，检波输出信号不跟随输入调幅波包络的变化而产生失真。当URUim(1-ma)ttmUucaimicos)cos1(UR或mindL1CRmindL1CR通常Cd取值较大(一般为5～10μF)，在Cd两端的直流电压UDC，大小近似等于载波电压振幅UDC=KdUimUDC经R和RL分压后在R上产生的直流电压为：由于UR对检波二极管VD来说相当于一个反向偏置电压，会影响二极管的工作状态。在输入调幅波包络的负半周峰值处可能会低于UR,显然，RL越小，UR分压值越大，底部切割失真越容易产生；另外，ma值越大，调幅波包络的振幅maUim越大，调幅波包络的负峰值Uim(1-ma)越小，底部切割失真也越易产生。后级放大器ui+-CRLRVDCd+UDC-+-UR+uΩ(t)-要防止这种失真，必须要求调幅波包络的负峰值Uim(1-ma)大于直流电压UR。即RRRUmUimLaim)1(避免底部切割失真的条件为：RRRRRRRRm//LLLa式中，RΩ=RL//R为检波器输出端的交流负载电阻，而R为直流负载电阻。由此式可以看出,交流负载R′与直流负载R越接近,可允许的调幅指数越大。RRRRRRRRm//LLLa在实际电路中,有两种措施可减小交直流负载之间的差别。一是在检波器与下一级电路之间插入一级射随器,即增大RL的值。二是采用图4.5所示的改进电路,将检波器直流负载R分成R1和R2两部分。显然,在直流负载不变的情况下,改进电路的交流负载比原电路增大。通常以免分压过大使输出到后级的信号减小过多。LLRRRRR221,2.0~1.021RR图4.5改进后的二极管峰值包络检波器一般：1)//(idsscLRRCQ(1)回路有载LQ要大：这应该从选择性及通频带的要求来考虑。cTRC为高频载波周期cT(2)为发保证输出的高频纹波小要求：cRC1即4.检波器设计及元件参数的选择(3)为了减少输出信号的频率失真（输出信号为一个低频限带信号）要求：minmax11dLCRRCΩminΩmaxmaxmax2maxmm1RC(4)为了避免惰性失真：要求：LLRRRmRRRL//(5)为了避免底部切割失真：或+-uΩ中放末级RidRLCVDRCsLsRsisCd为了使二极管峰值包络检波器能正常工作,避免失真,必须根据输入调幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL,正确选择二极管和R、C、Cc的值。例3给出了一个设计范例。例3已知普通调幅信号载频fc=465kHz,调制信号频率范围为300Hz～3400Hz,Ma=0.3,RL=10kΩ,如何确定图4.5所示二极管峰值包络检波器有关元器件参数?解：一般可按以下步骤进行:1)检波二极管通常选正向电阻小(500Ω以下)、反向电阻大(500kΩ以上)、结电容小的点接触型锗二极管,注意最高工作频率应满足要求。2)RC时间常数应同时满足以下两个条件:①电容C对载频信号应近似短路,故应有通常取;②为避免惰性失真,应有。代入已知条件,可得(1.7～3.4)×10-6≤RC≤0.15×10-3,1,1ccRCRC或cRC10~5max21aaMMRC3)设,则R1=。为避免底部切割失真,应有Ma≤R’/R,其中R’=R1+R2RL/(R2+RL)。代入已知条件,可得R≤63kΩ。因为检波器的输入