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检波器

检波器,是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系,主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器,为了得到解调作用,需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号(相干信号)。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。用以完成这个任务的电路称为检波器。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成,这种二极管就被称做检波二极管。集成射频检波器现已得到了广泛的应用,而且每当要求更高的灵敏度和稳定性时,集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向。

调幅波中恢复调制信号的电路,也可称为幅度解调器。与调制器一样,检波器必须使用非线性元件,因而通常含有二极管或非线性放大器。

利用非线性特性平方项检测调幅波幅。非线性器件可以是二极管或三极管。早期的调幅接收机多采用三极管,利用栅极非线性特性实现检波后,再利用三极管放大特性加以放大。这种电路比较简单,但有用信号的二次谐波非线性失真和调幅系数ma成正比;ma越大,失真越严重。这种检波器 在调幅接收机已不采用,二极管平方律检波器有时用于微波功率测量仪器中。

图1是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t)的包络而变化的电压u(t),其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t)与输入信号ua(t)的峰值成正比,所以又称峰值检波器。

包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在t1<t<t2时间内,输入信号瞬时值ua(t)大于输出电压u(t),二极管导通,电容C通过二极管正向电阻ri充电,u(t)增大;在t2<t<t3时间内,ua(t)小于u(t),二极管截止,C通过RL放电,因此u(t)下降;到t3以后,二极管又重新导电,这一过程照此重复不已。只要RLC选择恰当,就可在负载RLC上得到与输入信号包络成对应关系的输出电压u(t)。如果时间常数RLC太大,放电速度就会放慢,当输入信号包络下降时,u(t)可能始终大于ua(t),造成所谓对角切割失真(图2)。此外,检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器,如图1中虚线所示。如果Rg太小,则检波后的输出电压u(t)的底部即被切掉,产生所谓的底部切割失真。

图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信号,即us(t)=Umcos(ωct+Ωmt),其中ωc为载波信号角频率,Ωm为调制信号角频率;另一输入是本机产生的相干信号,即uc(t)=Uccosωct,则乘法器的输出电压u0(t)与uS(t)和uc(t)的乘积成正比,即

u0(t)=Kus*(t)uc(t)

式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项,一项为高频项(2ωc+Ωm),另一项为低频项(Ωm)。通过低通滤波器后将高频项滤除,即得到与调制波成对应关系的输出。uc(t) 通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越,但是它的电路比较复杂。随着电子技术的进步,这种解调方法的应用日益广泛。

射频信号频率也许是选择检波器时最先考虑的参数。检波器的速度必须快到足以提取信号的幅度。它也必须能在相当大的频率范围内提供恒定的响应。比如,用于测量GSM移动电话传输功率的检波器必须在880MHz 到915MHz的范围内有相同的灵敏度。为满足这一要求,两个内部的参数至关重要:灵敏度(或增益)变化与频率之比,以及输入阻抗匹配。NCS5002是一个频率响应优化的实例(图1)。输入匹配元件已经集成在器件中,以保证极低的VSWR。该器件基于宽带结构设计,可在从100MHz和以下到最高3GHz的范围内工作。这两个特性保证了频率范围内的变化极小,而且由于其不要求额外的校准,因此简化了设计。

灵敏度是指在非常低的输入信号加到输入时,检波器返回有用信息的能力。所以灵敏度的定义与用于处理信号的ADC/DAC分辨率紧密联系在一起。如果检波器连接到一个具有1mV分辨率的ADC,设计师将检查其想要检测的信号电平在检波器输出端是否大于1mV。灵敏度越高,检波器越好,但仅仅通过提高增益并不能实现这一点。当可能有大的信号变化时,最大的输入信号必须同样具有适当的精确度,这就要求有良好的动态范围。出于这一原因,检波器被分为两大类:线性非线性检波器。对于幅度调制的解调或者当设计师无法校准检波曲线时,要求好的线性。NCS5000描述了这类器件。补偿肖特基二极管检波器提供极高的线性(图2)。由于这是一个单位增益器件,可以直接读出检测的电压,其特性具有可重复性,不需要校准。当要求大检测范围或高灵敏度时,不能再使用单位增益器件。检测的信号必须放大。缺点是最大的输入信号也放大了,这可能造成检波器饱和。最佳解决方案是非线性放大。对于最小的输入电平,增益最大。检测的信号接近饱和电压时增益变小。因为器件不是线性的,只需要最小的校准。市场上有很多非线性检波器,从用昂贵射频工艺制造的真正对数检波器到单片线性检波器应有尽有,考虑到了动态范围和复杂度。NCS5002是单片线性检波器的一个例子。非线性检波器可以在-30dBm 到+20dBm之间工作,而且因为特性曲线分为两个线性部分,因此校准也比较简单。

检波器也可以从高频信号中选出音频信号。

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