Лекция № 5

Тема лекции:

«Нелинейные элементы и процессы. Нелинейное преобразование гармонического сигнала. Выпрямление переменного напряжения. Детектирование сигналов» План лекции

Е. А. Москатов Основы телевидения, 2005р. - 162 с

Р аздел 3. Нелинейные и параметрические радиотехнические цепи

Глава 10. Нелинейное преобразование

ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ

10.1. Нелинейные элементы и процессы

Общие сведения. В предыдущем разделе рассматривались физические процессы в линейных РТЦ, все элементы которых (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) имеют прямолинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ). Физические процессы в них подчиняются закону Ома и принципу независимости действия сил.

В линейных РТЦ происходят только количественные преобразования сигналов. При гармоническом воздействии на линейную РТЦ отклик − сигнал на выходе − является также гармоническим той же частоты. Измениться могут только его амплитуда и фаза (рис. 10.1, а).

В данном разделе рассматриваются физические процессы в нелинейных и параметрических РТЦ.

Нелинейная РТЦ (НРТЦ) содержит хотя бы один элемент с нелинейной ВАХ. В ней происходят качественные преобразования сигналов. Как это видно из рис. 10.1, а, при гармоническом воздействии отклик НРТЦ имеет искаженную (не синусоидную) форму, а в его спектре появляются новые составляющие, которых нет в составе воздействия.

В параметрических РТЦ (ПРТЦ) также происходят качественные преобразования сигналов, но это связано с изменением параметров цепи , или и может не сопровождаться искажением преобразованного сигнала.

Такие важнейшие преобразования сигналов, как генерирование, выпрямление, детектирование, модуляция, сложение, вычитание, умножение и деление частоты и ряд других, осуществляются в результате нелинейных процессов. Первый в истории радиотехники нелинейный элемент − когерер − был использован А. С. Поповым в его грозоотметчике.

Нелинейные элементы. Нелинейные элементы (НЭ), используемые в радиоэлектронике, весьма разнообразны. К ним относятся все электронные (полупроводниковые, вакуумные и газонаполненные) приборы, а также реактивные нелинейные элементы: емкостные − варикапы, варакторы и индуктивные − катушки с насыщаемыми сердечниками. На рис. 10.1, б показаны схематические изображения и характеристики наиболее распространенных элементов: диода, варикапа, биполярного и полевого транзистора, триода, газового стабилитрона и катушки с насыщаемым сердечником.

Все резистивные элементы характеризуются их ВАХ, варикап − вольтфарадной, а катушка − кривой намагничивания и графиком , из которого видно, что в областях насыщения при увеличении намагничивающего тока уменьшается индуктивность L.

Нелинейные процессы. Нелинейные процессы реализованы в одноименных с ними каскадах РПДУ и РПУ. На структурных и функциональных схемах РЭО эти каскады символически представляют в виде условных обозначений. Обозначения каскадов, в которых производятся качественные преобразования, разделены диагональными линиями, слева обозначено воздействие, справа − отклик (рис. 10.1, б).

1. Выпрямление− преобразование переменного напряжения сети в постоянное.

2. Детектирование − преобразование радиосигнала в управляющий сигнал.

3. Нелинейное усиление − усиление мощности сигнала при использовании нелинейного режима активного элемента.

4. Умножение частоты − преобразование сигнала частоты в сигнал более высокой кратной частоты .

5. Деление частоты − преобразование сигнала частоты в сигнал более низкой кратной частоты .

6. Преобразование частоты − преобразование двух сигналов с частотами , и в сигнал частоты . Обычно или .

7. Модуляция − преобразование несущего колебания и управляющего сигнала в радиосигнал. Если это необходимо, вид сформированного PC символизируется его спектром со стрелкой, обозначенной буквой , или в зависимости от модулируемого параметра.

8. Генерирование − формирование колебания (в данном случае − гармонического, радиочастотного).

Режимы и параметры нелинейных элементов. На рис. 10.1, г показана нелинейная ВАХ с произвольно выбранной на ней точкой исходного режима − ТИР. Рассмотрим четыре характерных режима.

Исходный режим. В исходном режиме (режиме покоя) на НЭ действует постоянное напряжение и протекает ток покоя . Их значения являются координатами ТИР. Поскольку напряжение смещает ТИР относительно начала координат, его иногда называют напряжением смещения.

Сопротивление НЭ постоянному току в режиме покоя определяет нагрузку на источник питания. Особенность НЭ состоит в том, что не постоянно. Действительно, если переместить ТИР по ВАХ, то изменяется угол и .

Линейный режим. Линейный режим (режим слабого сигнала) возникает, если кроме напряжения смещения на НЭ действует переменное напряжение сигнала, амплитуда которого настолько мала, что соответствующий ее размаху ( ) участок ВАХ можно считать линейным.

Внутреннее сопротивление НЭ переменному току в этом режиме

Крутизна характеристики в точке исходного режима − величина обратная − имеет размерность проводимости:

так как при , − угол наклона касательной к ВАХ, a − производная. Поэтому параметры и называют также дифференциальными параметрами.

В линейном режиме работают малосигнальные УЗЧ и УРЧ. Параметры и , для полевых транзисторов и электронных ламп или аналогичные и для биполярных транзисторов приводятся в справочниках по электронным приборам. В этом режиме и нелинейных искажений не возникает, поэтому в данном разделе он не рассматривается.

Параметрический режим Если в линейном режиме переместить ТИР из точки А в точку В, то изменятся и амплитуда тока от до . Такое изменение амплитуды, вызванное изменением параметра (в данном случае крутизны ), и обеспечивающий его режим называются параметрическими. В параметрическом режиме можно, например, регулировать усиление УРЧ, изменяя напряжение смещения, или модулировать амплитуду тока.

Нелинейный режим. Такой режим возникает, если амплитуда велика и ее размах охватывает криволинейный участок характеристики. В этом режиме график тока искажен. Его форма, а также параметры НЭ существенно зависят от положения ТИР и амплитуды . Соединив крайние рабочие точки и секущей, можно определить среднюю за период крутизну характеристики: . Этот параметр, используемый при анализе нелинейных процессов, можно определить графически по ВАХ. В справочниках он не приводится, так как меняет свое значение в зависимости от и .

Исходный режим нелинейной РТЦ. Названный режим обеспечен, если координаты ТИР и имеют расчетные значения и их нестабильность при изменении внешних условий в заданных пределах не превышает допустимого уровня. Выясним, как определяются координаты ТИР в простейшей схеме.

Метод нагрузочной прямой. Пусть в схеме рис. 10.1, д известны ЭДС источника питания , сопротивление и ВАХ нелинейного элемента. Требуется определить ток покоя , напряжения на НЭ и на резисторе.

К азалось бы, проще всего воспользоваться формулой закона Ома , но это невозможно, так как сопротивление н постоянно . Простое решение этой задачи возможно гра фическим методом нагрузочной прямой. Поскольку в схеме на рис. 10.1, д один и тот же ток протекает через и , то его значение должно удовлетворять системе из двух уравнений: нелинейиого уравнения ВАХ и линейного − нагрузочной прямой (НП) . Как известно, корнями такой системы уравнений являются координаты точки пересечения их графиков.

Располагая графиком ВАХ (рис. 10.1.д) построим НП по двум точкам: холостого хода с координатами и короткого замыкания . Точка их пересечения А и есть ТИР. Ее ордината – , абсцисса − , a .

Стабильность положения ТИР определяется стабильностью и ВАХ. В схемах с полупроводниковыми НЭ основным фактором дестабилизации ТИР является изменение температуры. На рис. 10.1, д штриховой линией показано положение ВАХ при более высокой температуре. Если бы напряжение смещения не изменялось, то ТИР переместилась бы в точку , а ток возрос бы на .

В схеме с резистором ТИР перемещается по НП в точку В, а ток возрастает на . Чем меньше по сравнению с тем эффективнее стабилизация ТИР. Поэтому коэффициент стабилизации . Чем больше , тем меньше и положе НП, а также меньше и выше . Но при увеличении для сохранения прежних значений и надо увеличить и мощность, потребляемую от источника. Повышая стабильность, снижаем экономичность.

Автосмещение ТИР −- это способ получения напряжения смещения за счет падения напряжения на резисторе смещения, создаваемого током в цепи одного из электродов НЭ.

На рис. 10.1, е приведена уже знакомая читателю схема резонансного УРЧ на ПТ (см. рис. 7.3, а) с узлом автосмещения в истоковой цепи. Отрицательное (обратное) напряжение смещения приложено к затвору относительно истока. Конденсатор выбирается так, чтобы его сопротивление переменному току было гораздо меньше, чем , т. е. , . Тогда напряжение не будет пульсировать с частотой и не возникнет ООС.

Узел смещения в цепи общего электрода является одновременно узлом стабилизации ТИР (истоковой, эмитерной или катодной).

Развязывающий фильтр в выходной цепи предотвращает паразитную связь между каскадами через общий источник питания. Резистор выбирают так, чтобы на нем падало не более 10 % напряжения источника ( а конденсатор − из того же условия, что и .

Расчет исходного режима каскада в эксплуатационных условиях производится не для его проектирования, а для получения номинальных данных, с которыми можно сопоставить результаты измерений в реальном РЭО в процессе его проверки, дефектации, регулировки. Совокупность таких данных называют картой напряжений.

Пример. Рассчитаем исходный режим каскада УРЧ (рис. 10.1, е). Заданы транзистор типа КП307Д и его проходная характеристика взятая из справочника. Напряжение источника питания стока ; сопротивления резисторов автосмещения и развязывающего фильтра (из принципиальной схемы или спецификации к ней). Требуется определить ток истока и напряжения .

1. Задавшись произвольно в пределах ВАХ (рис. 10.1, е) значением , находим ток .

2. Строим точку с координатами и, соединяя ее с точкой 0, получаем НП.

3. Вточке А пересечения ВАХ с НП определяем ТИР. Ее координаты: .

4. Напряжение сток-корпус .

5. Напряжение сток-исток .

Стабилизация постоянного напряжения. Стабилизация осуществляется с помощью опорного диода (рис. 10.1, ж) и обеспечивается в режиме электрического пробоя диода обратным напряжением. Участок ВАХ, соответствующий этому режиму, крутой, почти вертикальный. Стабилизируемое напряжение , приложено к делителю, состоящему из балластного резистора и диода. При его изменении резко меняется ток диода и падение напряжения , а напряжение на диоде (и нагрузке) почти не меняется. Пусть , изменилось на Проведем из точек ( ,0) и ( , 0) две НП и определим две ТИР на рабочем участке. Их проекции на ось напряжений отстоят на величину , равную нестабильности выходного напряжения. Коэффициент стабилизации напряжения показывает, во сколько раз стабильнее т. е. во сколько раз нестабильность меньше : .

Ограничение амплитуды переменного напряжения. Ограничение можно произвести при помощи двухстороннего стабилитрона, состоящего из двух опорных диодов, включенных последовательно и встречно в схему рис. 10.1, ж. Характеристику такой схемы можно получить путем вычитания ординат ВАХ диодов. Она состоит из двух симметричных ветвей, образованных обратными токами диодов, так как при последовательном включении прямые токи возникнуть не могут, поскольку, когда открывается один из диодов, другой практически закрыт. На рисунке оси координат характеристики повернуты на 90°. Амплитуде соответствует начало НП, а амплитуде ТИР. При изменении , так как рабочий участок ВАХ практически горизонтален. По той же причине график имеет трапециевидную, а при больших амплитудах − почти прямоугольную форму.