АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2003 года по МПК H03D1/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах.

Известны амплитудные детекторы [1, 2], используемые в радиоприемных устройствах, которые содержат последовательно соединенные разделительный конденсатор, выпрямительный элемент, фильтр нижних частот, нагрузочный резистор, второй вывод которого соединен с общей шиной, первый вывод разделительного конденсатора является входом амплитудного детектора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора и первым выводом детекторного диода, а второй вывод дросселя соединен с общей шиной, выходом амплитудного детектора является выход фильтра нижних частот, соединенный с первым выводом нагрузочного резистора.

В настоящее время в амплитудных детекторах в качестве выпрямительного элемента в основном применяются полупроводниковые детекторные диоды. Такие важные параметры амплитудного детектора как тангенциальная чувствительность и чувствительность по напряжению зависят от конструктивных особенностей и технологии изготовления детекторных диодов.

При этом тангенциальная чувствительность определяет наименьший уровень энергии сигнала, при котором амплитудный детектор имеет определенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя, к которому он подключен.

Чувствительность по напряжению определяет крутизну выходного напряжения в зависимости от мощности входного радиосигнала, подаваемого на детекторный диод. Чувствительность по напряжению зависит от тока смещения, протекаемого через диод, сопротивления нагрузки, уровня сигналов и радиочастоты.

Если в амплитудных детекторах применятся диоды, выполненные по обычной р-n технологии, то такие параметры как тангенциальная чувствительность, чувствительность по напряжению невысокие, а величина порогового уровня (прямого падения напряжения) большая.

При применении в амплитудных детекторах диодов, выполненных по технологии Шотки, удается изготовить амплитудные детекторы, обладающие улучшенными параметрами. По физическим свойствам диоды Шотки имеют меньшую величину прямого порогового уровня напряжения (не более 0,3 В), повышенное быстродействие (время жизни основных носителей менее 100 пс - отсутствует эффект накопления неосновных носителей заряда), повышенную тангенциальную чувствительность и чувствительность по напряжению [2, 3].

Однако детекторные диоды Шотки с нулевым смещением имеют ограниченную величину напряжения пробоя, которая зависит от конструктивной и технологической особенности при их производстве.

Ограниченное напряжение пробоя в диодах Шотки с нулевым смещением (порядка 2 В) приводит и к ограничению линейного диапазона работы детектора, мощности рассеивания (не более 100 мВт), и, соответственно, к ограничению динамического диапазона по уровням радиосигналов.

Для изготовления амплитудных детекторов с повышенным динамическим диапазоном по уровням входных радиосигналов требуются детекторные диоды с повышенными обратными напряжениями. К таким диодам относятся, например, детекторные диоды Шотки с внешним смещением.

Диоды этого типа имеют более высокое напряжение пробоя (от 10 до 70 В) и, таким образом, при применении их в амплитудных детекторах позволяют получить больший динамический диапазон по уровням входных радиосигналов. К тому же при использовании в амплитудных детекторах диодов Шотки с внешним смещением имеется возможность получить при определенном токе смещения даже более высокие тангенциальную чувствительность и чувствительность по напряжению по сравнению с диодами Шотки с нулевым смещением. Ток смещения в таких амплитудных детекторах создается от дополнительного источника напряжения.

Амплитудный детектор, в котором используется детекторный диод с внешним смещением [2, 3], содержит последовательно соединенные разделительный конденсатор, детекторный диод, фильтр нижних частот, нагрузочный резистор и источник напряжения, второй выход источника напряжения соединен с общей шиной, первый вывод разделительного конденсатора является входом амплитудного детектора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора и первым выводом детекторного диода, а второй вывод дросселя соединен с общей шиной, выходом амплитудного детектора является выход фильтра нижних частот, соединенный с первым выводом нагрузочного резистора.

Кроме положительных эффектов, которые позволяют получать полупроводниковые диоды в амплитудных детекторах, они обладают и существенным недостатком. Этот недостаток связан со значительным изменением как прямого, так и обратного сопротивления при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне температур. При этом при повышении температуры окружающей среды как прямое, так и обратное сопротивления полупроводниковых диодов уменьшаются, а при понижении увеличиваются.

Уменьшение величины обратного сопротивления в полупроводниковых диодах при повышении температуры окружающей среды на качество детектирования практически не влияет. Это связано с тем, что величина обратного сопротивления в полупроводниковых детекторных диодах хотя и уменьшается при повышении температуры окружающей среды, но не до такой степени, чтобы оказывать значительное влияние на процесс детектирования радиосигналов.

При понижении температуры окружающей среды прямое сопротивление полупроводникового диода увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи амплитудного детектора, а, соответственно, и к уменьшению уровня видеосигнала на его выходе при постоянном уровне входного радиосигнала. Особенно заметно уменьшение уровня видеосигнала на выходе амплитудного детектора при малых уровнях входных радиосигналов.

Кроме того, одновременно с изменением амплитуды видеосигналов на выходе амплитудного детектора, в котором используется детекторный диод с внешним смещением, при изменении температуры окружающей среды происходит изменение и напряжения смещения (дрейф напряжения смещения). Дрейф напряжения смещения на выходе амплитудного детектора также связан с изменением прямого сопротивления детекторного диода.

При этом как амплитуда видеосигнала при малых уровнях радиосигнала, так и напряжение смещения на выходе амплитудного детектора при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне, как показывают экспериментальные исследования, могут изменяться в два - три раза.

Дрейф напряжения смещения на выходе амплитудного детектора при изменении температуры окружающей среды является нежелательным процессом, если для обработки сигналов между выходом амплитудного детектора и последующими устройствами требуется только гальваническая связь и установка разделительных конденсаторов между ними невозможна.

Термостабилизированный детектор радиочастоты, выбранный в качестве прототипа [4] , который и является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, содержит последовательно соединенные разделительный конденсатор, детекторный диод, фильтр нижних частот, нагрузочный резистор и компенсирующий диод, второй вывод которого соединен с общей шиной, первый вывод разделительного конденсатора является входом амплитудного детектора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора и первым выводом детекторного диода, схему смещения, выход которой соединен со вторым выводом дросселя, первый вход схемы смещения соединен со вторым выводом нагрузочного резистора и первым выводом компенсирующего диода, источник напряжения, первый выход которого соединен со вторым входом схемы смещения, а второй выход с общей шиной, второй вывод детекторного диода, соединенный с первым выводом нагрузочного резистора является выходом термостабилизированного детектора радиочастоты.

Для стабилизации амплитуды видеосигнала и напряжения смещения на выходе устройства прототипа [4] при изменении температуры окружающей среды введены компенсирующий диод и схема смещения. Эти элементы позволяют поддерживать амплитуды видеосигналов и напряжение смещения со значительно меньшим дрейфом при изменении температуры по сравнению с обычным амплитудным детектором [2, 3], в котором используется только один детекторный диод с внешним смещением.

Однако, несмотря на принятые меры по уменьшению величины дрейфа напряжения смещения на выходе устройства прототипа при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне, его одним из недостатков продолжает оставаться относительно большая величина дрейфа напряжения смещения.

Так как дрейф напряжения смещения возникает на выходе устройства прототипа из-за неидентичности амплитудных характеристик детекторного и компенсирующего диодов, а также дрейфа напряжения, возникающего на выходе схемы смещения при изменении температуры окружающей среды, то для уменьшения его величины при изменении температуры требуется уменьшение дрейфа напряжений его составляющих или устранения их.

Для уменьшения дрейфа напряжения в схеме смещения должны применяться прецизионные операционные усилители с малыми входными токами и высокими входными сопротивлениями, чтобы не шунтировать токи смещения, протекающие через компенсирующий диод, с низкими уровнями дрейфа выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды. Особенно эти требования должны соблюдаться при применении в амплитудных детекторах диодов, работающих при токах смещения в пределах нескольких микроампер.

Однако реальные, даже дорогостоящие, прецизионные операционные усилители имеют, хотя и незначительный, но не управляемый тепловой дрейф напряжения смещения на своих выходах. Этот неуправляемый тепловой дрейф напряжения смещения на выходах операционных усилителей не позволяет полностью устранить дрейф напряжения смещения на выходе схемы смещения, а, соответственно, и на выходе устройства прототипа.

Как показывают экспериментальные исследования устройства прототипа, даже при применении в схеме смещения современных дорогостоящих прецизионных операционных усилителей с высокими техническими характеристиками, и пары однотипных согласованных диодов (детекторного и компенсационного), изготовленных на одной подложке, дрейф напряжения смещения на его выходе при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне составляет несколько милливольт.

В реальных радиоприемных устройствах выход амплитудного детектора, как правило, соединяется с устройствами для последующей обработки сигналов через усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Поэтому незначительная величина дрейфа напряжения смещения на выходе амплитудного детектора после усиления может достигать недопустимо больших значений на выходе таких усилителей.

Другим недостатком устройства прототипа является применение в нем самой схемы смещения. Кроме недостаточно эффективной работы по снижению величины дрейфа напряжения смещения на выходе устройства прототипа, схема смещения значительно усложняет устройство и, таким образом, снижает его надежность.

Технической задачей изобретения является повышение стабилизации напряжения смещения на выходе амплитудного детектора при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне и повышение его надежности.

Указанная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный конденсатор, детекторный диод, фильтр нижних частот, первый нагрузочный резистор, компенсирующий диод, включенный в том же направлении, как и детекторный диод, первый вывод разделительного конденсатора является входом амплитудного детектора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора и первым выводом детекторного диода, источник напряжения, второй вывод которого и второй вывод дросселя соединены с общей шиной, согласно изобретению введен дополнительный второй нагрузочный резистор с номиналом сопротивления равным номиналу сопротивления первого нагрузочного резистора, при этом первый вывод второго нагрузочного резистора соединен соответственно со вторым выводом компенсирующего диода, а второй вывод второго нагрузочного резистора с первым выходом источника напряжения, второй вывод первого нагрузочного резистора, соединенный с первым выводом компенсирующего диода, является выходом амплитудного детектора.

Новизна технического решения заключается в наличии в заявляемом устройстве нового дополнительного элемента - второго нагрузочного резистора.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод, что введенный элемент известен.

Однако введение его в устройство прототипа с указанными связями придает ему новые свойства. Введенный элемент взаимодействуют с известными элементами таким образом, что позволяет стабилизировать напряжение смещения на выходе амплитудного детектора при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне, а устранение из прототипа схемы смещения, состоящей из двух сложных операционных усилителей и резисторов, определяющих их режимы работы, позволяет упростить амплитудный детектор и тем повысить надежность его работы.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень", так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение может быть использовано в радиоприемных устройствах в качестве амплитудных детекторов.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

На чертеже представлена структурная электрическая схема амплитудного детектора.

Амплитудный детектор содержит разделительный конденсатор 1, дроссель 2, детекторный диод 3, фильтр нижних частот 4, первый нагрузочный резистор 5, компенсирующий диод 6, второй нагрузочный резистор 7 и источник напряжения 8.

При этом входом амплитудного детектора является первый вывод разделительного конденсатора 1, который последовательно соединен через детекторный диод 3, фильтр нижних частот 4, первый нагрузочный резистор 5, компенсирующий диод 6, второй нагрузочный резистор 7 с источником напряжения 8, второй выход которого соединен с общей шиной, первый вывод дросселя 2 соединен со вторым выводом разделительного конденсатора 1 и первым выводом детекторного диода 3, второй вывод дросселя 2 соединен с общей шиной, второй вывод первого нагрузочного резистора 5, соединенный с первым входом компенсирующего диода 6, является выходом амплитудного детектора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Детектирование радиосигналов в предлагаемом устройстве представляет собой процесс преобразования формы колебаний радиосигналов, то есть процесс преобразования частотного спектра, который осуществляется при помощи нелинейного элемента - детекторного диода 3.

При этом промодулируемое напряжение высокой частоты, поступающее через разделительный конденсатор 1 на детекторный диод 3, претерпевает преобразование своей формы (спектра) вследствие нелинейной характеристики детекторного диода 3.

Спектр преобразованного колебания содержит ряд высокочастотных и низкочастотных составляющих. Все высокочастотные составляющие спектра частот ослабляются в фильтре нижних частот 4, не вызывая заметного падения напряжения на нагрузке. При этом фильтр нижних частот 4 может быть выполнен, например, по П-образной схеме, в состав которой входят конденсаторы 9, 11 и дроссель 10.

Нагрузкой в предлагаемом устройстве являются последовательно соединенные первый нагрузочный резистор 5, компенсирующий диод 6 и второй нагрузочный резистор 7.

Среди низкочастотных составляющих, проходящих через сопротивление нагрузки, есть составляющая, соответствующая форме модулирующего напряжения. Падение напряжения, вызванное этой составляющей на сопротивлении нагрузки, представляет собой полезный эффект детектирования.

Так, например, при импульсном радиосигнале, который подается на вход амплитудного детектора, на его нагрузке выделяется импульсное напряжение видеосигнала.

Для улучшения параметров амплитудного детектора в нем применяется внешнее смещение от источника напряжения 8.

Ток смещения, протекающий через детекторный диод 3, определяется величиной напряжения на выходе источника напряжения 8 и общим сопротивлением последовательно соединенных прямых сопротивлений детекторного и компенсирующего диодов 3, 6 и нагрузочных резисторов 5, 7.

Напряжение смещения на выходе амплитудного детектора определяется как произведение величины тока смещения, протекающего через указанные выше элементы, на суммарное сопротивление, состоящее из прямого сопротивления компенсирующего диода 6 и второго нагрузочного резистора 7 при формировании на выходе амплитудного детектора видеосигнала положительной полярности.

Применение в предлагаемом амплитудном детекторе однотипных прецизионных резисторов 5, 7 с одинаковыми номиналами и температурными коэффициентами сопротивлений и пары согласованных однотипных детекторного и компенсирующего диодов 3, 6, изготовленных на одной подложке (например, диодов типа HSMS-2865, производимых фирмой Agilent (Hewlett-Packard)), позволяет на его выходе сформировать напряжение смещения по величине равное половине напряжения источника напряжения 8.

Это связано с тем, что как видеосигнал, так и напряжение смещения на выходе амплитудного детектора формируется на средней точке делителя напряжения, образованного прямым сопротивлением детекторного диода 3, сопротивлением первого нагрузочного резистора 5, прямым сопротивлением компенсирующего диода 6 и сопротивлением второго нагрузочного резистора 7.

При этом видеосигнал и напряжение смещения поступает на выход амплитудного детектора со второго вывода первого нагрузочного резистора 5, соединенного с первым выводом компенсирующего диода 6. Поэтому при равных номиналах нагрузочных резисторов 5, 7 и равных прямых сопротивлений диодов 3, 6 величина напряжения смещения будет равна половине величины напряжения источника напряжения 8.

Практически равные величины прямых сопротивлений детекторного и компенсирующего согласованных диодов 3, 6 получаются из конструктивных и технологических особенностей при одновременном изготовлении их на одной подложке.

Конструктивное расположение диодов на одной подложке позволяет этим диодам находиться в одинаковом температурном режиме при изменении температуры окружающей среды. При этом характеристики изменения прямых сопротивлений диодов в зависимости от изменения температуры остаются практически одинаковыми, хотя величины прямых сопротивлений могут изменяться в больших пределах. В то же время незначительные отклонения прямых сопротивлений диодов одного относительно другого при изменениях температуры позволяет иметь разницу величин их сопротивлений практически одинаковой и незначительной. Поэтому величина напряжения смещения на выходе амплитудного детектора при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне остается практически равной половине напряжения источника напряжения 8 при незначительной величине дрейфа, который определяется только неидентичностью амплитудных характеристик детекторного и компенсационного диодов.

Применение в предлагаемом амплитудном детекторе в нагрузке компенсирующего диода 6 позволяет на его выходе стабилизировать и амплитуды видиосигналов в процессе детектирования радиосигналов при изменении температуры окружающей среды. Это связано с тем, что, кроме изменения прямого сопротивления детекторного диода 3, происходит и изменение прямого сопротивления компенсирующего диода 6. При этом изменения прямых сопротивлений у согласованных диодов осуществляется одновременно и практически на одну величину. Поэтому если в обычном амплитудном детекторе, например, с понижением температуры увеличивается прямое сопротивление детекторного диода, которое должно привести к уменьшению амплитуды выходного видеосигнала на его выходе, в предлагаемом амплитудном детекторе происходит и увеличение сопротивления нагрузки за счет увеличения прямого сопротивления компенсирующего диода. Так как изменения прямых сопротивлений у согласованных диодов в предлагаемом амплитудном детекторе осуществляется практически на одну и ту же величину, то и амплитуда видеосигнала на его выходе остается стабильной в большом диапазоне температур.

Как показывают климатические испытания предлагаемого амплитудного детектора, проведенные в большом диапазоне рабочих температур (от минус 20 до 60^oС), величина дрейфа напряжения смещения на его выходе по сравнению с устройством прототипом уменьшается не менее чем в 10-15 раз.

Таким образом, предлагаемое изобретение амплитудного детектора позволяет на его выходе значительно повысить стабильность напряжения смещения при изменении температуры окружающей среды в большом диапазоне и повысить надежность его работы.

Источники информации
1. Буланов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства, с.346, рис. 12.2. - М.: Высшая школа, 1971.

2. The Zero Bias Schottky Detector Diode. Hewlett-Packard Application Note 969.

3. Designing the Virtual Battery, p.2. Fig.2. Hewlett-Packard Application Note 1088.

4. Термостабилизированный детектор радиочастоты. Заявка 0291345 ЕПВ (ЕР), МКИ 4 H 03 D 1/10. БИ 46, опубл. 17.11.88.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиоприемным устройствам. Технический результат заключается в стабилизации напряжения на выходе амплитудного детектора в большом диапазоне изменения температуры окружающей среды. Амплитудный детектор содержит последовательно соединенные разделительный конденсатор 1, соединенный через дроссель 2 с общей шиной и вторым выводом источника напряжения 8, детекторный диод 3, фильтр нижних частот 4, первый нагрузочный резистор 5, компенсирующий диод 6, второй нагрузочный резистор 7 и первый вывод источника напряжения 8. 1 ил.

Амплитудный детектор, содержащий последовательно соединенные разделительный конденсатор, детекторный диод, фильтр нижних частот, первый нагрузочный резистор, компенсирующий диод, включенный в том же направлении, как и детекторный диод, первый вывод разделительного конденсатора является входом амплитудного детектора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора и первым выводом детекторного диода, источник напряжения, второй вывод которого и второй вывод дросселя соединены с общей шиной, отличающийся тем, что введен дополнительно второй нагрузочный резистор с номиналом сопротивления, равным номиналу сопротивления первого нагрузочного резистора, при этом первый вывод второго нагрузочного резистора соединен соответственно со вторым выводом компенсирующего диода, а его второй вывод с первым выходом источника напряжения, второй вывод первого нагрузочного резистора, соединенный с первым выводом компенсирующего диода, является выходом амплитудного детектора.