ДЕТЕКТОР АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНЫ СИГНАЛА Российский патент 2003 года по МПК H03D1/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться преимущественно в радиоизмерительных, а также в радиоприемных устройствах, в частности, в телевизионных приемниках.

Известен широкополосный линейный детектор абсолютной величины сигнала (а. с. СССР 1157643, МКИ - Н 03 D 1/00, 24.12.82 г.), в котором первоначально формирование модуля сигнала осуществляется двумя диодами, соединенными катодами, прямо смещенными от источника постоянного тока, на аноды которых подаются сигналы одинаковой величины, но противоположного знака, перераспределяющие ток источника между параллельными ветвями с диодами таким образом, что в цепи с диодом, к аноду которого приложено положительное напряжение, ток возрастает, а в другой цепи - уменьшается на такую же величину. Токовое переключение диодов обеспечивает высокие динамические характеристики такого формирователя модуля сигнала. При входном сигнале около 50 мВ, когда один из диодов практически полностью закрыт, и ток источника тока протекает только через другой диод, начинается линейный участок амплитудной характеристики детектора. С помощью операционной схемы, состоящей из операционного усилителя и диодов диодной матрицы, согласованных с диодами входного каскада и прямо смещенных от идентичного источника тока, полностью компенсируются вносимые входным выпрямительным каскадом погрешности. Это такие погрешности, как температурно-зависимое смещение нулевого уровня от протекания через диоды токов в рабочей точке и аддитивная погрешность преобразования, вызванная двукратным увеличением тока, протекающего через открытый диод, по отношению к току, протекающему через диоды в рабочей точке. К недостатку детектора следует отнести наличие резко нелинейного начального участка амплитудной характеристики, ограничивающего динамический диапазон в пределах 45 дБ. Нелинейность начального участка является следствием неидентичности входной детекторной и компенсирующей цепей из-за соединения анода одного из компенсирующих диодов с общей шиной. Абсолютная погрешность детектора при экспоненциальной аппроксимации прямой ветви вольтамперной характеристики диода выражается формулой (Смирнов В.В. Широкополосный линейный детектор абсолютной величины сигнала. - Вопросы радиоэлектроники. Серия. Общие вопросы радиоэлектроники, 1988 г., вып.2, стр.59-63):

где К - коэффициент, учитывающий крутизну вольтамперной характеристики диода, построенной в полулогарифмическом масштабе в координатах (Uд/ϕt; ln Iд/Io);
Uд, Iд - напряжение и ток диода в рабочей точке;
ϕt - температурный потенциал;
Iо - тепловой ток;
x = |U_вх|/K•ϕt - нормированное значение входного сигнала;
Uо=К•ϕt•ln (Iг/2Io) - значение напряжения начального смещения диодов;
Iг - значение тока источника тока.

Известен детектор абсолютной величины сигнала (а.с. СССР 1298839, МКИ - Н 03 D 1/00, 11.06.85 г.), в котором повышение точности детектирования, особенно на начальном участке амплитудной характеристики, достигается итерационным методом благодаря последовательному приближению абсолютных величин напряжений, прикладываемых к компенсирующим диодам, к модулю входного знакопеременного сигнала, вследствие соединения компенсирующего диода, начиная со второй ступени выделения модуля сигнала, с выходом предыдущей ступени формирования модуля. Недостатком его являются большие аппаратурные затраты для обеспечения высокой точности детектирования сигналов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является детектор абсолютной величины сигнала (патент Российской Федерации 1337991, МКИ Н 03 D 1/00, 19.11.85 г.) по п.1 формулы изобретения, состоящий из формирователей модуля сигнала положительной и отрицательной полярности, которые содержат операционный усилитель, первый, второй, третий и четвертый диоды, два источника постоянного тока, в которых первые электроды первого и второго диодов являются входами дифференциальных входных сигналов, вторые электроды первого и второго, третьего и четвертого диодов попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя и источникам постоянного тока, первый электрод (катод) третьего диода формирователя модуля сигнала отрицательной полярности соединен с выходом операционного усилителя непосредственно и с первым электродом (анодом) четвертого диода формирователя модуля сигнала положительной полярности, в котором первый электрод (анод) третьего диода соединен с первым электродом (катодом) четвертого диода формирователя модуля сигнала отрицательной полярности непосредственно, а с выходом операционного усилителя через МДП-транзистор, включенный истоком к выходу операционного усилителя, а затвором к общей шине. Известному устройству присуща динамическая нестабильность, которая проявляется при высокой крутизне спада детектируемых импульсов, использовании в детекторе широкополосных быстродействующих операционных усилителей (например, AD-829) и выборе номинала резистора 18 из области допустимых значений сопротивлений нагрузки операционных усилителей Это обстоятельство накладывает ограничение на минимальную длительность детектируемых импульсов и снижает реально достижимое быстродействие устройства. Как показано ниже, для каждого конкретного случая применения в детекторе тех или иных типов элементов, характеризуемых такими параметрами, как Спр - проходная емкость МДП-транзистора, Rн.мин - минимально допустимое сопротивление нагрузки операционного усилителя, существует определенная скорость спада импульса на выходе операционного усилителя, при достижении которой выходные транзисторы операционных усилителей после завершения регенеративного процесса переходят в состояние насыщения.

где Ur18 мин - пороговое значение напряжения на резисторе 18, при достижении которого соблюдаются условия регенеративного процесса, коэффициент передачи по цепи положительной обратной связи становится больше единицы. Это иллюстрируется графиками (фиг.1, фиг.2) зависимости коэффициента передачи по цепи положительной обратной связи для сигналов разной полярности от уровня сигнала, полученными при моделировании прототипа в среде Design Lab (MSIM_8) - системы сквозного проектирования аналого-цифровых устройств. Разумеется,

где S [В/мкс] - максимальная скорость нарастания напряжения на выходе операционного усилителя.

Поэтому при использовании в детекторе операционных усилителей общего применения пороговое значение напряжения, как правило, не достигается:
Ur18≡S•Rн мин•Cпр≤Ur18 мин,
и устойчивость не нарушается. Кроме того, применение МДП-транзистора в детекторе, который для достижения наибольшего быстродействия должен быть построен на базе операционных усилителей, выполненных по биполярной технологии, затруднит реализацию детектора в твердотельном интегральном исполнении.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия и создание условий для микроминиатюризации устройства. Достигается следующий технический результат.

Снимается ограничение на быстродействие детектора, накладываемое в прототипе условием обеспечения устойчивости. Тем самым, достигаются при осуществлении резко нелинейной операции выделения модуля входного знакопеременного сигнала показатели быстродействия линейных операционных схем, выполненных на базе современных однотипных быстродействующих операционных усилителей. Обеспечивается однородность всех составных частей детектора, предоставляющая возможность изготовления его в полупроводниковом интегральном исполнении по единому технологическому процессу той или ивой разновидности биполярной технологии. Технический результат достигается тем, что в отличие от известного детектора абсолютной величины сигнала, состоящего из формирователя модуля сигнала положительной полярности и формирователя модуля сигнала отрицательной полярности, каждый из которых содержит операционный усилитель, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый и второй источники постоянного тока, в которых первые электроды первого и второго диодов являются входами дифференциальных входных сигналов детектора, вторые электроды первого и второго, третьего и четвертого диодов попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя, первому и второму источникам постоянного тока, а точки соединения первого электрода третьего диода формирователя модуля сигнала одной полярности с первым электродом четвертого диода формирователя модуля сигнала противоположной полярности, являющиеся разнополярными выходами детектора, связаны с выходами соответствующих операционных усилителей, причем в формирователе модуля сигнала положительной полярности первыми электродами диодов являются аноды, а вторыми электродами - катоды, и, наоборот, в формирователе модуля сигнала отрицательной полярности первыми электродами диодов являются катоды, а вторыми электродами - аноды, в один из формирователей модуля сигнала введен фиксатор уровня напряжения, который содержит ограничительный диод, дополнительный источник тока, фиксирующий диод, источник напряжения компенсации смещения, при этом первый электрод ограничительного диода подключен к выходу операционного усилителя, первый электрод фиксирующего диода соединен с источником напряжения компенсации смещения, второй вывод которого соединен с общей шиной, а точка соединения вторых электродов ограничительного и фиксирующего диодов и дополнительного источника тока подключена к точке соединения первого электрода третьего диода этого формирователя модуля сигнала с первым электродом четвертого диода формирователя модуля сигнала противоположной полярности, являющейся выходом детектора, при этом в формирователе модуля сигнала положительной полярности дополнительный источник тока формирует вытекающий ток, а источник напряжения компенсации смещения создает положительный потенциал, и, наоборот, в формирователе модуля сигнала отрицательной полярности дополнительный источник тока формирует втекающий ток, а источник напряжении компенсации смещения создает отрицательный потенциал. Выполнение источника напряжения компенсации смещения в виде параллельного соединения диода и источника постоянного тока является наиболее простым вариантом его реализации, обеспечивающим термокомпенсацию.

На фиг. 1 представлен график зависимости коэффициента передачи по цепи положительной обратной связи для сигнала рабочей полярности от уровня сигнала. На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента передачи по цепи положительной обратной связи для сигнала полярности противоположной рабочей от уровня сигнала. Они получены как результат моделирования прототипа в среде Design Lab (MSIM_8) - системы сквозного проектирования аналого-цифровых устройств. На фиг.3, фиг.4 приведены функциональные электрические схемы предлагаемого детектора абсолютной величины входного сигнала по пп.1, 2 формулы изобретения. На фиг.5, фиг.6 приведены графики переходных процессов в прототипе и в предлагаемом устройстве при подаче на вход импульсных сигналов определенной длительности и амплитуды, являющиеся результатами моделирования этих устройств в системе моделирования аналого-цифровых устройств Design Lab.

Детектор абсолютной величины сигнала по фиг.3 содержит формирователь 1 модуля сигнала положительной полярности, формирователь 2 модуля сигнала отрицательной полярности. Формирователь 1 модуля сигнала положительной полярности содержит операционный усилитель 3, первый и второй источники 4 и 5 тока, первый - четвертый диоды 6-9. Формирователь 2 модуля сигнала отрицательной полярности содержит операционный усилитель 10, первый и второй источники 11 и 12 тока, первый - четвертый диоды 13-16. Кроме того, формирователь 1 модуля сигнала положительной полярности дополнительно содержит фиксатор 17 уровни напряжения, состоящий из ограничительного диода 18, дополнительного источника 19 постоянного тока, фиксирующего диода 20 и источника 21 напряжения компенсации смещения. Детектор абсолютной величины сигнала по фиг.4 дополнительно содержит второй дополнительный источник 22 тока и компенсирующий диод 23. На фиг.3 в формирователях модуля сигнала положительной 1 и отрицательной 2 полярности первые электроды первого и второго диодов 6, 7 (13, 14) являются дифференциальными входами детектора. Вторые электроды первого и второго диодов 6, 7 (13, 14), третьего и четвертого диодов 8, 9 (15, 16) попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя 3 (10) и источникам постоянного тока 4 (11) и 5 (12). Точка соединения первого электрода (катода) третьего диода 15 формирователя 2 модуля сигнала отрицательной полярности с выходом операционного усилителя 10 и первым электродом (анодом) четвертого диода 9 формирователя 1 модуля сигнала положительной полярности является одним из выходов детектора. Первый электрод (анод) третьего диода 8 формирователя 1 модуля сигнала положительной полярности, являющийся вторым выходом детектора, соединен с первым электродом (катодом) четвертого диода 16 формирователя 2 модуля сигнала отрицательной полярности, а также с выходом операционного усилителя 3 формирователя 1 через фиксатор уровня напряжения 17, выходом которого является точка соединения катодов ограничительного диода 18 и фиксирующего диода 20 с дополнительным источником вытекающего тока 19, а входом - анод ограничительного диода 18. Анод фиксирующего диода 20 соединен с положительным полюсом источника 21 напряжения компенсации смещения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной. На фиг.4 источник 21 напряжения компенсации смещения выполнен в виде параллельного соединения второго дополнительного источника 22 тока и компенсирующего диода 23, при этом положительным полюсом источника 21 напряжения компенсации смещения является точка соединения анода компенсирующего диода 23 с выходом второго дополнительного источника 22 тока, который создает втекающий в узел постоянный ток. Детектор абсолютной величины сигнала работает следующим образом. При отсутствии сигнала на обоих входах детектора абсолютной величины входного сигнала вследствие идентичности диодов 6-8 и 13-16 и равенства токов всех четырех источников 4, 5 и 11, 12 тока в точках соединения анода третьего диода 8 с катодом четвертого 16 и катода третьего диода 15 с анодом четвертого диода 9 устанавливаются нулевые потенциалы. При наличии дифференциальных сигналов Uвх и -Uвх на входах благодаря соединению электродов 8, 9 и 15, 16 с выходами обоих операционных усилителей 3 и 10 в указанных точках устанавливаются потенциалы соответственно |Uвх| и -|Uвх|. Действительно, приращение потенциала катодов диодов 6 и 7, т.е. потенциала неинвертирующего входа операционного усилителя 3 относительно потенциала в рабочей точке:
ΔUвых.д.6,7 = ΔUнеинв.3 = F1(|Uвх|),
где
К1 - коэффициент, характеризующий наклон вольтамперной характеристики диодов 6-9.

Приращение потенциала анодов диодов 13 и 14, т.е. потенциала неинвертирующего входа операционного усилителя 10:
ΔUвых.д.13,14 = ΔUнеинв.10 = -F2(|Uвх|),
где ,
K2 - коэффициент, характеризующий наклон вольтамперной характеристики диодов 13-16.

Предположив, что потенциалы указанных выше точек (выходов) имеют противоположные знаки и не равны по абсолютной величине, их можно представить в виде:

введя
- амплитуда

Uвых.3 = |Uвых.m|+Uвых.о;
Uвых.10 = -|Uвых.m|+Uвых.о.
Приращение потенциала инвертирующего входа операционного усилителя 3 будет равно:
ΔUвых.д.8,9 = ΔUинв.3 = F1(|Uвых.m|)+Uвых.о.
Приращение потенциала инвертирующего входа операционного усилителя 10 равно:
ΔUвых.д.15,16 = ΔUинв.10 = -F2(|Uвых.m|)+Uвых.о.
Исходя из равенства потенциалов инвертирующего и неинвертирующего входов операционных усилителей 3 и 10:

и монотонности функции F(U) одновременно:


что невозможно.

Следовательно, Uвых.0=0 и
|Uвых3| = |Uвых10| = |Uвых.m| = |Uвх|,
т. е. во всем динамическом диапазоне входных сигналов напряжение на выходах детектора, связанных с выходами операционных усилителей 3 и 10, равно соответственно +|Uвх| и -|Uвх|. Фиксатор 17 уровня напряжения, содержащий в своем составе ограничительный диод 18, дополнительный источник 19 вытекающего из узла тока, фиксирующий диод 20, источник 21 напряжения компенсации смещения, обеспечивает работоспособность детектора абсолютной величины сигнала во всем диапазоне входных сигналов и возможных скоростей их изменения, предотвращая переход в состояние, характеризуемое насыщением выходных транзисторов операционных усилителей 3 и 10, при котором напряжения на выходах операционных усилителей становятся близкими соответственно к -Епит и +Епит. На фиг.5, фиг.6 приведены графики переходных процессов в прототипе и в предлагаемом устройстве при подаче на вход импульсных сигналов определенной длительности и амплитуды, являющиеся результатами моделирования этих устройств в системе моделирования аналого-цифровых устройств Design Lab. Фиксатор 17 уровня напряжения ограничивает сигналы снизу на нулевом уровне, при котором коэффициент передачи по цепи положительной обратной связи (катод четвертого диода 16 - инвертирующий вход операционного усилителя 10 - выход операционного усилителя 10 - анод четвертого диода 9 - инвертирующий вход операционного усилителя 3 - выход операционного усилителя 3 - катод четвертого диода 16) для сигналов с полярностью, противоположной рабочей, в данном случае отрицательной, имеет значение, меньшее единицы, и не нарушаются условия устойчивости. Фиксация напряжения на нулевом уровне происходит при запирании ограничительного диода 18 благодаря протеканию его доля тока от дополнительного источника тока 19 через четвертый диод 16. Изменения тока через фиксирующий диод 20 при этом не происходит и потенциал его катода не изменяется, т. е. остается нулевым. Благодаря стабилизирующему действию в предлагаемом детекторе цепи общей обратной связи, охватывающей оба операционных усилителя 3, 10, при отсутствии входных сигналов или спадании их до нулевого уровня, запирания ограничительного диода 18 в действительности не происходит, и ток через него поддерживается неизменным. Выполнение источника напряжения 21 компенсации смещения в виде параллельного соединения компенсирующего диода 23 и второго дополнительного источника 22 тока является наиболее простым вариантом его реализации, обеспечивающим кроме того полную термокомпенсацию при использовании диодов 18, 20, 23 из одной диодной матрицы и равенстве токов источников 19, 22 тока. Детектирование абсолютной величины сигнала происходит в динамическом диапазоне более 60 дБ с высокой точностью, допускающей использование детектора в прецизионных радиоизмерительных устройствах. Благодаря высокому быстродействию и большому динамическому диапазону может быть применен вместо используемых в настоящее время в телевизионных приемниках синхронных детекторов. Схемотехническое построение детектора предоставляет возможность его твердотельного интегрального исполнения. Проведено "электронное" макетирование (моделирование) детектора в системе сквозного проектирования Design Lab (Msim-8). Изготовлен и испытан опытный образец.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоизмерительных и радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат - повышение быстродействия. Детектор абсолютной величины сигнала состоит из формирователя модуля сигнала положительной полярности (ФМПП) (1) и формирователя модуля сигнала отрицательной полярности (ФМОП) (2), каждый из которых содержит операционный усилитель (ОУ) (3) (10), первый, второй, третий и четвертый диоды (Д) (6, 7, 8, 9) (13, 14, 15, 16), первый, второй источники постоянного тока (ИПТ) (5) (11). Первые электроды Д (6, 7) (13, 14) являются дифференциальными входами детектора, вторые электроды первого (6) (13) и второго (7) (14), третьего (8) (15) и четвертого (9) (16) Д попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ (3) (10), первому и второму ИПТ (5) (11). Точки соединения первого электрода третьего (8) (15) Д формирователя модуля сигнала (ФМС) одной полярности с первым электродом четвертого (9) (16) Д ФМС противоположной полярности, являющиеся разнополярными выходами детектора, связаны с выходами соответствующих ОУ (10) (3). В ФМПП (1) первыми электродами Д являются аноды, а вторыми электродами - катоды, и, наоборот, в ФМОП (2) первыми электродами Д являются катоды, вторыми электродами - аноды. В один из ФМС введен фиксатор уровня напряжения (ФУН) (17), который содержит ограничительный Д (18), дополнительный ИПТ (19), фиксирующий Д (20) источник напряжения компенсации смещения (21). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Детектор абсолютной величины сигнала, содержащий формирователь модуля сигнала положительной полярности и формирователь модуля сигнала отрицательной полярности, каждый из которых содержит операционный усилитель, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый и второй источники постоянного тока, при этом анод и катод первых диодов формирователя модуля сигнала положительной полярности и формирователя модуля сигнала отрицательной полярности и анод и катод вторых диодов формирователя модуля сигнала положительной полярности и формирователя модуля сигнала отрицательной полярности являются входами дифференциальных входных сигналов детектора абсолютной величины сигнала, разнополярными выходами которого являются соединение анода четвертого диода формирователя модуля сигнала положительной полярности с катодом третьего диода и с выходом операционного усилителя формирователя модуля сигнала отрицательной полярности и соединение катода четвертого диода формирователя модуля сигнала отрицательной полярности с выходом операционного усилителя и анодом третьего диода формирователя модуля сигнала положительной полярности, причем в формирователе модуля сигнала положительной полярности катоды первого и второго, третьего и четвертого диодов попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя и к первому и второму источникам постоянного тока, а в формирователе модуля сигнала отрицательной полярности аноды первого и второго, третьего и четвертого диодов попарно соединены и подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя и к первому и второму источникам постоянного тока, отличающийся тем, что в одном из формирователей модуля сигнала выход операционного усилителя соединен с выходом детектора абсолютной величины сигнала через фиксатор уровня напряжения, содержащий ограничительный диод, дополнительный источник постоянного тока, фиксирующий диод и источник напряжении компенсации смещения, при этом входом фиксатора уровня напряжения является первый электрод ограничительного диода, а выходом - точка соединения вторых электродов ограничительного диода и фиксирующего диода с дополнительным источником постоянного тока, а первый электрод фиксирующего диода соединен с источником напряжения компенсации смещения, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом в формирователе модуля сигнала положительной полярности дополнительный источник постоянного тока формирует вытекающий ток, а источник напряжения компенсации смещения создает положительный потенциал, а в формирователе модуля сигнала отрицательной полярности дополнительный источник постоянного тока формирует втекающий ток, а источник напряжения компенсации смещения создает отрицательный потенциал. 2. Детектор абсолютной величины сигнала по п. 1, отличающийся тем, что источник напряжения компенсации смещения выполнен в виде параллельного соединения второго дополнительного источника постоянного тока и компенсирующего диода.