Принцип действия детекторного диода в режиме малого сигнала

Впервые полупроводниковый диод для детектирования сигнала использовал Браун в 1874 г.

В общем случае детектирование сигнала есть преобразование в нелинейном устройстве модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего (низкочастотного) сигнала, который содержит передаваемую информацию. Это процесс, обратный модуляции колебаний. Здесь речь идет о простейшей разновидности модуляции – амплитудной.

Помимо извлечения информации из амплитудно-модулированного сигнала в приемном устройстве, важную роль играет применение детекторов в метрологии для определения характеристик высокочастотного сигнала с заданной амплитудой. В этом случае детектор осуществляет преобразование колебаний высокой частоты в сигнал постоянного тока, величина которого зависит от амплитуды входного сигнала. Рассмотрим вначале этот более простой случай.

Пусть на диод подано постоянное напряжение смещения U ₀ и высокочастотный сигнал с заданной амплитудой U ₁:

.

(3.5)

Используем допущение малого сигнала: U ₁ << U ₀. Рассматриваемый случай иллюстрируется на рис. 3.9. Напряжению смещения U ₀ соответствует начальный ток I ₀, протекающий через диод при отсутствии переменного сигнала. При подаче синусоидального сигнала из-за нелинейности ВАХ постоянная составляющая тока увеличится до некоторого значения I _ср, т. е. получит приращение I _d , значение которого зависит от уровня сигнала. Рассмотрим эту зависимость более подробно.

Рис. 3.9. Детектор в режиме малого сигнала с постоянной амплитудой

Считаем, что ВАХ диода на рабочей частоте описывается традиционным уравнением

,

(3.6)

где использовано обозначение .

Разложим выражение для тока в ряд Тейлора для малого сигнала вблизи точки U ₀ и введем упрощенные обозначения для компонент ряда, который для простоты ограничен первым нелинейным членом.

.

(3.7)

Определим производные тока по напряжению, фигурирующие в уравнении (3.7).

.

(3.8)

Выразим компоненты разложения, связанные с приложенным высокочастотным сигналом.

.

(3.9)

Первая компонента не отражает нелинейности ВАХ. Интерес представляет вторая компонента, которую можно выразить следующим образом, введя коэффициент :

.

(3.10)

Как и при рассмотрении действия нелинейного элемента в разделе 2.3, в выражении для тока возникает вторая гармоника частоты входного сигнала, обозначенная членом . Помимо этого, существует дополнительная компонента постоянного тока, зависящая от амплитуды высокочастотного сигнала:

.

(3.11)

Видно, что полученная компонента пропорциональна квадрату амплитуды напряжения, т. е. мощности входного сигнала. Коэффициент пропорциональности b , имеющий размерность [А / Вт], является важным параметром детекторного диода, который называется токовой чувствительностью. Квадратичность характеристики детектора удобна при его применении для измерения мощности СВЧ устройств, она может выполняться в широком диапазоне изменения уровня сигнала. Этот диапазон может быть расширен в область более высоких мощностей при использовании калиброванных аттенюаторов. В то же время, из-за нелинейности характеристики диода детектирование (демодулирование) сигналов с многочастотным спектром будет выполняться с искажением. Однако для некоторых систем (например, РЛС и др.) такая характеристика вполне допустима.

Эквивалентная схема детекторного диода может рассматриваться независимо со стороны входа (по высокой частоте) и со стороны выхода (по постоянному току или по низкой частоте). В первом случае через резистор R _j , протекает ток I ₁, определяемый дифференциальной проводимостью диода в точке U ₀ в соответствии с уравнением (3.7), см. рис. 3.10. К традиционной схеме диода добавлен резистор R ₂, моделирующий цепь для дополнительной нелинейной компоненты тока I ₂. Анализируя уравнение (3.7), нетрудно убедиться, что в режиме малого сигнала при U ₁ << j _t имеем: I ₂ << I ₁, что приводит к R ₂ >> R ₁. Это означает что сопротивление R ₂ лишь незначительно влияет на импеданс прибора, и в данной схеме его в дальнейшем можно не учитывать.

Со стороны выхода диод может быть представлен генератором постоянного (или низкочастотного) тока или эквивалентным ему генератором напряжения (Рис. 3.11), где «видеосопротивление» , а .

Расчет условий согласования детекторного диода может быть выполнен с использованием полной эквивалентной схемы детектора, представленной на рис. 3.12; для согласования по высокой частоте со стороны входа применен четвертьволновый трансформатор.

Рассмотрим случай детектирования сигнала, модулированного по амплитуде синусоидальным напряжением с частотой w _v , который описывается формулой

,

(3.12)

где A ₀– среднее значение амплитуды; m – коэффициент, определяющий глубину модуляции, который может изменяться от 0 (модуляция отсутствует) до 1 (100 %-ная модуляция, когда амплитуда модулированного сигнала в точке минимума падает до нуля). Осциллограмма рассматриваемого сигнала при значении коэффициента модуляции 0,5 показана на рис. 3.13.

На выходе детектора в этом случае формируется низкочастотный ток, зависящий от мощности входного сигнала и коэффициента модуляции:

.

(3.13)

При максимальной глубине модуляции (m = 1) получаем.

.

(3.14)

На практике часто применяется модуляция высокочастотного напряжения прямоугольными импульсами. Если модулирующий сигнал имеет форму меандра с частотой w _v , первая гармоника выходного тока детектора равна

.

(3.15)

Пример конструкции секции прямоугольного волновода с детектором показан на рис. 3.14. Выходной сигнал после отфильтровывания высокочастотной компоненты поступает в коаксиальную линию.

В данной конструкции для улучшения согласования диода с линией служат штыри, при настройке регулируется глубина их погружения в волновод. Штыри действуют аналогично хорошо известным согласующим элементам в виде реактивных шлейфов [2].

Другим распространенным способом достижения согласования является использование передвижного короткозамыкающего поршня на конце волновода. Возможно также применение четвертьволнового трансформатора, как показано на рис. 3.12. Подобные устройства широко используются для измерения мощности, проходящей по волноводу, нередко в сочетании с направленными ответвителями или аттенюаторами.