Устройства приема и обработки сигналов

К устройствам приема и первичной обработки сигналов относятся как радиотехнические элементы входных цепей (детекторы, смесители и преобразователи гетеродинного и автодинного типов), так и фотоприемные полупроводниковые элементы (фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и приемные оптические модули) и фотоумножители.

Простейшим приемным элементом, как и в обычных системах приема, являются диоды (случай прямого детектирования). Предельная чувствительность этого метода определяется типом применяемого диода, его шумами, способом обработки продетектированного сигнала, параметрами применяемого усилителя и лежит в пределах 10^-6 – 10^-8 Вт. Применение подобного метода (самого дешевого) оправдано при небольшой дальности или при значительной мощности сигнала в месте приема. Более чувствительным методом (на 30 - 40 дБ) является гетеродинный и автодинный прием (либо методы синхронного и асинхронного детектирования). В этом случае принимаемый с антенны сигнал поступает на нелинейный элемент куда подается дополнительно более мощный, по сравнению с принимаемым сигналом, сигнал гетеродина. При преобразовании выделяется промежуточная частота (либо нулевые биения, для случая синхронного либо асинхронного детектирования), меньшая чем входной сигнал, с амплитудой пропорциональный полезному сигналу. Устройства, выполняющие подобные преобразования, называются преобразователями или смесителями и строятся по однополупериодной, балансной, мостовой или двойной балансной схемам. Различные схемы построения позволяют повысить чувствительность, снизить влияние шума гетеродина, подавить сигнал зеркальной частоты. В интересуемом нас диапазоне частот наиболее часто используются схемы балансного преобразования, которые строятся на диодах с р-п -переходом, барьером Шотки, р--п -структурах и выполняются в полосковом или волноводном вариантах. Автодинные преобразователи отличаются тем, что функцию гетеродина и смесителя выполняет один элемент (транзистор, диод Ганна, ЛПД и др.) с выхода которого и снимается преобразованный сигнал на промежуточной частоте. Последние схемы дают хороший результат при приеме импульсных сигналов в случае совпадения частот принимаемого и генерируемого гетеродином сигналов.

В радиоволновых методах (включая и вариант прямого детектирования) для обработки, выделенного устройством приема, сигналов используются усилители постоянного тока и усилители промежуточной частоты, которые могут быть выполнены как на дискретных элементах (лампах, транзисторах и пр.), так и на микросхемах (операционные усилители: - КР140УД1, К140УД1, 5 - 9, К140УД14, 20, К544УД1, КМ551УД2, К553УД1, 2 и др. - специализированные интегральные схемы). Вопросы согласования последних с устройствами приема заключаются в расчете электрических цепей с требуемыми значениями входного и выходного сопротивлений. Описание и принцип работы устройств обработки рассмотрены в специальной и популярной литературе по радиотехнике и составляют вопрос выходящий за рамки этой книги.

В рассмотренных радиоволновых методах приема входной сигнал и сигнал с выхода преобразователя имеет одну природу.

Фоточувствительные приборы (для приема оптических сигналов) связывают оптическую и радиоэлектронную системы в аппаратуре приема. По этой причине их выбирают с учетом требований ко всему приемному тракту в целом. Их характеристики должны отвечать наилучшему согласованию в цикле приема оптического излучения и обработки электрических сигналов.

При падении на фоточувствительную поверхность прибора оптического излучения полезного сигнала оно частично теряется (отражение, рассеяние), а остальная часть поглощается этой поверхностью, создавая дополнительную электропроводность (фотопроводимость) полупроводникового материала. Это происходит в случае, когда энергия фотонов превышает некоторое пороговое значение. Основным структурным элементом большинства фотоприборов служит р-п -переход или объем полупроводникового материала. Свойства фотоприемников описываются системой характеристик и параметров, выражающих зависимость тока или напряжения сигнала и шума на выходе от различных факторов: мощности, спектрального состава и частоты модуляции возбуждающего излучения, температуры окружающей среды, напряжения питания, наличия фоновых помех и др.

Простейшим фотоприемным элементом является фоторезистор - прибор, изменяющий свою проводимость при наличии освещенности в заданном частотном диапазоне (ФСК-0, 7, СФ2-1, 4-3Д, ФПФ7-1, 9-2, ФДК-1, ФД-3К, 29КП, 20-33К, ФД252, 265Б и др.). В отсутствие облучения темновой ток не превышает нескольких микроампер, а при облучении возрастает на несколько порядков. Недостатками фоторезисторов являются нелинейность световой (при большой освещенности) и вольт амперной характеристик, значительная инерционность (определяемая временем жизни неравновесных носителей заряда в объеме полупроводника) и значительный шум. Такие элементы могут работать в устройстах с быстродействием не более 10^-4 с.

Лучшими характеристиками обладают фотодиоды - малоинерционные фотоприемники (ФД-1...7Г). Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости р-п -перехода, а также сопротивления нагрузки. Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью, представляют р--п и лавинные фотодиоды, которые способны работать до частот порядка нескольких гигагерц. Темновой ток (протекающий через диод независимо от фототока) представляет собой сумму обратного тока и тока поверхностной утечки. Он вызывает дробовый шум. У кремниевых фотодиодов этот ток мал (около 10^-22 А), поэтому и уровень шума относительно невысок. Шумовые характеристики германиевых приборов значительно хуже. Границу чувствительности в области длинных волн определяет ширина запрещенной зоны материала, а падение чувствительности в области коротких волн - уменьшение длины поглощения (поглощение излучения вблизи поверхности и поверхностная рекомбинация фотовозбужденных носителей). Примеры выполнения фотоприемников см. рис. 21 а, б, в, г.

Кроме рассмотренных приборов могут использоваться фототранзисторы (ФТ-1К, - 2Г, ФТ-3, 3Г, ФТГ-4,5) и фототиристоры (первые из названных обладают внутренним усилением выделенного сигнала, а вторые обеспечивают переключение режима с малого тока на большой).

В качестве элементов приема оптического сигнала в случае высоких требований по чувствительности могут использоваться и фотоумножители - выкуумные приборы в которых падающий световой поток выбивает из мишени фотоэлектроны, усиливаемые за счет вторичных электронов с динодов в сильных электрических полях. Однако последние приборы требуют высоких питающих напряжений и специальной оптики для фокусировки падающего светового потока.

Рис. 21

В современных приемных устройствах оптического и инфракрасного диапазонов используются приемные оптические модули, которые представляют собой собранные в общем корпусе устройства, состоящие из фотодетекторов (р--п или лавинного фотодиода) и малошумящих предварительных усилителей. При использовании лавинного фотодиода в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения. Последнее позволяет значительно расширить динамический диапазон модуля и таким образом учитывать условия прохождения сигнала при изменении внешних условий эксплуатации (при наличии в модуле блока автоматической регулировки усиления)

При использовании р-i-п- диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усилителя упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Динамический диапазон такого модуля значительно ниже. Отечественные приемные оптические модули работают на длине волны 0,85 мкм. Имеют пороговую чувствительность порядка (3 - 1,5)10^-6 (фирмы Simens Y23804 - 510^-7), потребляемый ток 50 - 120 мА.

В оптическом диапазоне при использовании фоторезисторов наиболее часто используют дифференциальные и мостовые схемы включения, так как в них легко компенсировать изменение фототока, вызываемые температурной нестабильностью и временным дрейфом сопротивления. С помощью фоторезисторов легко осуществить управлением работой транзисторных каскадов.

Фотодиоды, как правило, включают в базовые цепи транзисторов для усиления фототока. Если необходимо линейное усиление фототока, следует применять транзисторные усилители со стабильным коэффициентом передачи тока, интегрирующие и трансимпедпнсные. Для повышения чувствительности фотоприемника могут быть использованы логические микросхемы и особенно КМОП - микросхемы, которые позволяют довести потребляемый ток фотодатчика (без учета тока нагрузки) до наноамперного уровня. Вследствие этого флуктуационные явления в кристаллах фотодиода и микросхемы, вызываемые внутренним перегревом, минимальны. Этим объясняется высокая точность срабатывания фотодатчика.

Для повышения чувствительности фотодиоды используются в фотогальваническом режиме, что увеличивает обнаружительную способность при одинаковых спектральных интервалах. Верхняя граничная частота модуляции излучения служит основанием для выбора прибора. Минимальной постоянной времени обладают p-i-n, фото и лавинные диоды.

Фототранзисторы подключают к усилителям так же, как и фотодиоды, однако фототок транзистора в десятки раз больше, чем у диода.

Фототиристоры можно использовать для непосредственной коммутации нагрузки в низковольтных цепях малой мощности (исполнительные устройства). В мощных и высоковольтных преобразователях маломощный фототиристор управляет мощным, в цепь которого включается требуемая нагрузка.

К приемным устройствам ультразвуковых колебаний относятся различные пьезоэлектрические и акустоэлектрические датчики, параметры которых зависят от падающей на их поверхность звуковой мощности. Такие датчики, со схемами согласования и усиления представляют собой законченные приемные модули, которые формируют входной сигнал в канале приема.

К устройствам предварительной обработки сигналов относятся схемы согласования и усиления, выделенных элементами приема, сигналов.