Амплитудный детектор

Полезная модель относится к измерительной технике и, в частности к амплитудным детекторам сигнала переменного напряжения.
Известны амплитудные детекторы (см. «Искусство схемотехники», часть 1, П. Хоровиц, У. Хилл, М.: «МИР», 1986 г., стр. 170, 172, рис. 3.24. 3.26), содержащие в своем составе операционные усилители и диоды, включенные в цепь обратной связи операционного усилителя, двухполярный источник питания, подключенный к клеммам питания усилителя, и нагрузочный резистор. Данные амплитудные детекторы за счет наличия операционных усилителей обладают хорошей чувствительностью и линейностью выходной характеристики.
Недостатком этого амплитудного детектора является сложность электрической схемы и низкий диапазон рабочих частот, который не превышает 50 кГц.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является амплитудный детектор по схеме удвоения с закрытым входом (см. «Электрические измерения неэлектрических величин» под ред. A.M. Туричина, П.В. Новицкого, изд. 5-е, Л., «Энергия», 1975 г, стр. 245, рис. 8-18 в). Он содержит два диода, переходной конденсатор, являющийся входом детектора, нагрузочный резистор, параллельно которому подключены конденсатор фильтра и индикатор. За счет соответствующего включения однотипных диодов этот амплитудный детектор вырабатывает выходное напряжение пропорциональное двойной амплитуде переменного входного сигнала в широкой полосе частот (до нескольких десятков МГц).
Однако, за счет наличия у кремниевых диодов зоны не чувствительности величиной 0,5-0,6 В, он неспособен выпрямлять входные сигналы меньше 0,5-0,6 В. Кроме того, данный амплитудный детектор имеет высокое выходное сопротивление, которое не обеспечивает его работу на низкоомное сопротивление нагрузочного резистора.
Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в исключении зоны нечувствительности детектора при сохранении широкой полосы рабочих частот.
Ожидаемый технический эффект достигается тем, что в амплитудный детектор, содержащий два диода, переходной конденсатор, конденсатор фильтра, подключенный параллельно резистору нагрузки и индикатору, введены транзистор, источник тока и блок питания, первая шина которого подключена к коллектору транзистора и входу источника тока, выход источника тока подключен к первым выводам первого и второго диодов, эмиттер транзистора подключен к первым выводам резистора нагрузки, конденсатора фильтра и индикатора, вторые выводы резистора нагрузки, конденсатора фильтра, первого диода и индикатора подключены к второй шине блока питания, база транзистора соединена с первым выводом переходного конденсатора и вторым выводом второго диода, второй вывод переходного конденсатора подключен к источнику переменного входного сигнала.
На фиг. 1 приведена функциональная схема амплитудного детектора. На фиг. 2 приведены выходные характеристики амплитудного детектора-прототипа (кривая а) и предлагаемого устройства (кривая б).
Амплитудный детектор содержит два диода 1 и 2, переходной конденсатор 3, конденсатор фильтра 4, подключенный параллельно резистору нагрузки 5 и индикатору 6, транзистор 7, источник тока 8, и блок питания 9, первая шина которого подключена к коллектору транзистора 7 и входу источника тока 8, эмиттер транзистора 7 подключен к первым выводам резистора нагрузки 5, конденсатора фильтра 4 и индикатора 6, вторые выводы резистора нагрузки 5, конденсатора фильтра 4 и индикатора 6 подключены к второй шине блока питания 10. Выход источника тока 8 подключен к первым выводам первого 1 и вторым выводом второго диода 2. Второй вывод первого диода 1 также соединен с второй шиной блока питания 9. База транзистора 7 соединена с первым выводом переходного конденсатора 3 и вторым выводом второго диода 2, второй вывод переходного конденсатора 3 подключен к источнику переменного входного сигнала 10.
В исходном режиме на диоде 1, за счет протекания тока от источника тока 8, создается падение напряжения около 0,55-0,6 В, которое через диод 2 поступает на базу транзистора 7, включенного по схеме с общим коллектором. При этом, за счет падения напряжения на диоде 2 и базо-эмиттерном переходе транзистора 7, на резисторе нагрузки 5 создается небольшое падение напряжения порядка 1-10 мВ. Благодаря чему, диод 2 и базо-эмиттерный переход транзистора 7, играющих роль выпрямительных диодов, оказываются приоткрытыми, то есть, амплитудный детектор находится уже на активном участке выходной характеристики выпрямителя.
Таким образом, при отсутствии напряжения на выходе источника переменного сигнала 10 на резисторе нагрузки 5 присутствует небольшое падение напряжения порядка 1-10 мВ, которое фиксируется индикатором 6, и при этом диод 2 и базо-эмиттерный переход транзистора 7 уже открыты.
Отрицательные полуволны переменного напряжения на выходе источника сигнала 10 поступают через открытый диод 2 и диод 1, который всегда открыт источником тока 8, и заряжают переходной конденсатор 3 до амплитудного значения входного напряжения. Положительные полуволны входного напряжения источника сигнала 10, для которых диод 2 заперт, отпирают базо-эмиттерный переход транзистора 7, при этом конденсатор фильтра 4 заряжается суммарным напряжением заряженного переходного конденсатора 3 и положительной полуволной входного напряжения источника сигнала 10. Благодаря этому на конденсаторе фильтра 4 образуется удвоенное напряжение, которое выделяется на нагрузочном резисторе 5 и затем фиксируется индикатором 6.
За счет включения транзистора по схеме с общим коллектором он имеет низкое выходное сопротивление, которое по сравнению с прототипом уменьшается в β раз, где β - коэффициент усиления транзистора по току, и для современных транзисторов он имеет значение от 50 до 200. На фиг. 2 приведены выходные характеристики для прототипа (кривая а) на нагрузке 100 кОм, и для предлагаемого устройства (кривая б) на нагрузке 5 кОм.
В случае реализации предложенной схемы на транзисторе типа р-п-р, полярность включения диодов, источника тока и блока питания меняется на обратную.
Введение транзистора, источника тока и блока питания и соответствующее соединение их в схеме позволяет исключить зону нечувствительности амплитудного детектора и тем самым увеличить диапазон выходного напряжения детектора на 0,5-0,6 В, что актуально при использовании шкал индикаторов с пределом измерения от 5 до 6 В. При этом диапазон рабочих частот предлагаемого амплитудного детектора достигает нескольких МГц.
Литература.
1. «Искусство схемотехники», часть 1, П. Хоровиц, У. Хилл, М.: «МИР», 1986 г., стр. 170, 172, рис. 3.24. 3.26.
2. «Электрические измерения неэлектрических величин» под ред. A.M. Туричина, П.В. Новицкого, изд. 5-е, Л., «Энергия», 1975 г, стр. 245, рис. 8-18 в)