檢波器

檢波器，是檢出波動信號中某種有用信息的裝置。用於識別波、振盪或信號存在或變化的器件。檢波器通常用來提取所攜帶的信息。檢波器分為包絡檢波器和同步檢波器。前者的輸出信號與輸入信號包絡成對應關係，主要用於標準調幅信號的解調。後者實際上是一個模擬相乘器，為了得到解調作用，需要另外加入一個與輸入信號的載波完全一致的振盪信號（相干信號）。同步檢波器主要用於單邊帶調幅信號的解調或殘留邊帶調幅信號的解調。

基本介紹

• 中文名：檢波器
• 外文名：detector
• 作用：檢出波動信號中某種有用信息
• 領域：信息科學

簡介

從已調信號中檢出調製信號的過程稱為解調或檢波，解調的目的是為了恢復被調製的信號。用以完成這個任務的電路稱為檢波器。最簡單的檢波器僅需要一個二極體就可以完成，這種二極體就被稱做檢波二極體。集成射頻檢波器現已得到了廣泛的套用，而且每當要求更高的靈敏度和穩定性時，集成射頻檢波器有代替傳統的二極體檢波器的趨向。

從調幅波中恢復調製信號的電路，也可稱為幅度解調器。與調製器一樣，檢波器必須使用非線性元件，因而通常含有二極體或非線性放大器。

最常見的解調方法是整流檢波和相敏檢波。若把調製信號進行偏置，疊加一個直流分量，使偏置後的信號都具有正電壓，那么調幅波的包絡線將具有原調製信號的形狀，把該調幅波進行簡單的半波或全波整流、濾波，並減去所加的偏置電壓就可以恢復原調製信號。

類型

平方律檢波器

利用非線性特性平方項檢測調幅波幅。非線性器件可以是二極體或三極體。早期的調幅接收機多採用三極體，利用柵極非線性特性實現檢波後,再利用三極體放大特性加以放大。這種電路比較簡單,但有用信號的二次諧波非線性失真和調幅係數m_a成正比；m_a越大，失真越嚴重。這種檢波器 在調幅接收機已不採用，二極體平方律檢波器有時用於微波功率測量儀器中。

包絡檢波器

圖1是典型的包絡檢波電路。由中頻或高頻放大器來的標準調幅信號ua(t）加在L1C1迴路兩端。經檢波後在負載RLC上產生隨ua(t）的包絡而變化的電壓u(t），其波形如圖2所示。這種檢波器的輸出u(t）與輸入信號ua(t）的峰值成正比，所以又稱峰值檢波器。

檢波器的電壓輸入輸出波形

檢波器原理電路

包絡檢波器的工作原理可用圖2的波形來說明。在t1<t<t2時間內，輸入信號瞬時值ua(t）大於輸出電壓u(t），二極體導通，電容C通過二極體正向電阻ri充電，u(t）增大；在t2<t<t3時間內，ua(t）小於u(t），二極體截止，C通過RL放電，因此u(t）下降；到t3以後，二極體又重新導電，這一過程照此重複不已。只要RLC選擇恰當，就可在負載RLC上得到與輸入信號包絡成對應關係的輸出電壓u(t）。如果時間常數RLC太大，放電速度就會放慢，當輸入信號包絡下降時，u(t）可能始終大於ua(t），造成所謂對角切割失真（圖2）。此外，檢波器的輸出通常通過電容、電阻耦合電路加到下一級放大器，如圖1中虛線所示。如果Rg太小，則檢波後的輸出電壓u(t）的底部即被切掉，產生所謂的底部切割失真。

同步檢波器

圖3為同步檢波器的框圖。模擬相乘器的一個輸入為一單頻調製的單邊帶調幅信號，即us(t)=Umcos(ωct+Ωmt），其中ωc為載波信號角頻率，Ωm為調製信號角頻率；另一輸入是本機產生的相干信號，即uc(t)=Uccosωct，則乘法器的輸出電壓u0(t）與uS(t）和uc(t）的乘積成正比，即：u0(t)=Kus*(t)uc(t)

同步檢波器波形

式中K為一比例常數。u0(t）中包括兩項，一項為高頻項（2ωc+Ωm），另一項為低頻項（Ωm）。通過低通濾波器後將高頻項濾除，即得到與調製波成對應關係的輸出。uc(t) 通常可用本地振盪器或鎖相環產生。同步檢波器的抗干擾性能比包絡檢波器優越，但是它的電路比較複雜。隨著電子技術的進步，這種解調方法的套用日益廣泛。

相關參數

工作頻率

射頻信號頻率也許是選擇檢波器時最先考慮的參數。檢波器的速度必須快到足以提取信號的幅度。它也必須能在相當大的頻率範圍內提供恆定的回響。比如，用於測量GSM行動電話傳輸功率的檢波器必須在880MHz 到915MHz的範圍內有相同的靈敏度。為滿足這一要求，兩個內部的參數至關重要：靈敏度（或增益）變化與頻率之比，以及輸入阻抗匹配。NCS5002是一個頻率回響最佳化的實例。輸入匹配元件已經集成在器件中，以保證極低的VSWR。該器件基於寬頻結構設計，可在從100MHz和以下到最高3GHz的範圍內工作。這兩個特性保證了頻率範圍內的變化極小，而且由於其不要求額外的校準，因此簡化了設計。

靈敏度和線性

靈敏度是指在非常低的輸入信號加到輸入時，檢波器返回有用信息的能力。所以靈敏度的定義與用於處理信號的ADC/DAC解析度緊密聯繫在一起。如果檢波器連線到一個具有1mV解析度的ADC，設計師將檢查其想要檢測的信號電平在檢波器輸出端是否大於1mV。靈敏度越高，檢波器越好，但僅僅通過提高增益並不能實現這一點。當可能有大的信號變化時，最大的輸入信號必須同樣具有適當的精確度，這就要求有良好的動態範圍。出於這一原因，檢波器被分為兩大類：線性和非線性檢波器。對於幅度調製的解調或者當設計師無法校準檢波曲線時，要求好的線性。NCS5000描述了這類器件。補償肖特基二極體檢波器提供極高的線性。由於這是一個單位增益器件，可以直接讀出檢測的電壓，其特性具有可重複性，不需要校準。當要求大檢測範圍或高靈敏度時，不能再使用單位增益器件。檢測的信號必須放大。缺點是最大的輸入信號也放大了，這可能造成檢波器飽和。最佳解決方案是非線性放大。對於最小的輸入電平，增益最大。檢測的信號接近飽和電壓時增益變小。因為器件不是線性的，只需要最小的校準。市場上有很多非線性檢波器，從用昂貴射頻工藝製造的真正對數檢波器到單片線性檢波器應有盡有，考慮到了動態範圍和複雜度。NCS5002是單片線性檢波器的一個例子。非線性檢波器可以在-30dBm 到+20dBm之間工作，而且因為特性曲線分為兩個線性部分，因此校準也比較簡單。

檢波器也可以從高頻信號中選出音頻信號。

二極體檢波原理

二極體檢波原理如下：調幅信號是一個高頻信號承載一個低頻信號，調幅信號的波包(envelope)即為基帶低頻信號。如在每個信號周期取平均值，其恆為零。若將調幅信號通過檢波二極體，由於檢波二極體的單嚮導電特性，調幅信號的負向部分被截去，僅留下其正向部分，如在每個信號周期取平均值（低通濾波），所得為調幅信號的波包(envelope)即為基帶低頻信號，實現了解調（檢波）功能。調幅波信號是二極體檢波電路的輸入，因為二極體只允許單嚮導電，所以，如果使用的是矽管，則只有電壓高於0.7V的部分可以通過二極體。同時，由於二極體的輸出端連線了一個電容，這個電容與電阻配合對二極體輸出中的高頻信號對地短路，使得輸出信號基本上就是信號包絡線。電容和電阻構成的這種電路功能叫做濾波。