翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#08

BG1TRP

矿石机二极管检波器功率损耗与由SPICE仿真确定的电流和电压波形

内容速览：本文说明二极管检波器的电压和电流波形，以及它们如何随信号强度而变化。
　　在本文中，我将展示使用SPICE仿真器对矿石机检波器运行所做的分析。

• 显示三种不同“可用功率”信号源的检波器电压和电流波形。信号源将向匹配的负载提供-85.54dBW、-65.54dBW或-45.54dBW的功率(1W以下)。每个功率源都由一个纯电压源和一个电阻组成(这种组合也可称为“带内阻的电压源”)。
• 显示每个案例的可用输入功率、输出功率和检波器插入损耗。
• 考察是否符合或偏离通常假定的峰值检波模式。
• 研究输入电阻随输入功率的变化而变化的情况。
  

　　要理解本文的其余部份，我们需要知道以下的推导：
　　“可用功率”的概念：如果电压源V的内阻为R，那么可输出最大功率Pa的负载电阻与R相等。Pa被称为“最大可用功率”。除了等于源内阻R的负载电阻以外，任何负载电阻从信号源吸收的功率都会减少。无论信号源电压是直流还是交流(有效值)，这一点都适用。
　　电阻吸收功率的公式是电压的平方除以电阻。在阻抗匹配的状态下，由于信号源内阻和负载电阻的电压分压比为2:1，因此在负载电阻上的电压是信号源电压V的二分之一。如前面的公式所述，负载吸收的实际功率为P = ((V / 2) ^ 2) / R = (V ^ 2) / (4R)。提供给信号源内阻和负载电阻串联组合上的功率，有一半会提供给负载，另一半则耗散和浪费在信号源内电阻上。
　　在矿石机中，输入电压是交流射频电压。如果输入电压像在SPICE中那样用峰值Vp 而不是有效值来表示，则公式就会发生变化。正弦波的有效值电压等于正弦波的峰值除以√(2 )。由于功率等于电压的平方，因此“可用输入功率”方程变为P = (Vp ^ 2) / (8R)。这是用于计算检波器从信号源获得的可用输入功率的公式。
　　以下是一些定义、假设和说明：

• 天线的内阻被转换为仿真中使用的等效并联电阻R。没有显示用于仿真的调谐电路。
• 假定所使用的单调谐回路的Q值为无限大，有限的Q值会导致插入损耗增加。
• “二极管检波器功率损耗”定义为输出负载电阻上耗散的直流输出功率与射频输入“可用功率”之比 (以dB表示) 。
• 调谐电路L1、C1的比值L/C要足够低，这样二极管的检波作用就不会在调谐电路上产生明显的谐波电压。
• 射频旁路电容C2足要够大，使得C2上的射频纹波电压与调谐电路上的电压相比很小(因此，调谐电路上绝大部分电压加到了二极管两端)。
• 对于耳机来说，输出负载电阻的数值好像偏高。假定在实际应用中，耳机阻抗将通过低损耗音频变压器转换到这个值。还假定变压器初级串联有适当的并联的电容器和电阻器。这样做的目的是确保二极管的直流负载与音频交流负载相同。
• 仿真中使用的射频负载电阻和音频负载电阻看起来相当高，这是因为在我的单调谐回路接收机中，回路的平均空载旁路电阻是700kΩ，在接下来的仿真中也使用的这个值。
• 在网络表中二极管结电容设为零。如果考虑到这一事实而重新调整 C1，不会影响检波器的工作。由于C2的改变不会对调谐产生影响，实验因此更为方便。
• 二极管的参数被指定为：当在工作在检波器电路中并且由低可用功率源(例如-85dBW)驱动时，可产生700kΩ的射频输入电阻。
  

　　基本的矿石机二极管检波器原理图如下所示。将使用Intusoft SPICE仿真器做三次独立的仿真，以测量电路电流和电压。仿真计算结果将会表明，在高输入功率水平下，检波器的插入损耗趋近于零，而当输入功率下降到某一点以下时，检波器的插入损耗会急剧上升。如果检波器的输入电阻和输出电阻阻抗匹配，损耗就会降到最低。
　　在以下的讨论中，假定在低信号输入功率电平下，射频源、直流负载和音频交流负载均与二极管相匹配。指定检波器有两种工作模式：线性检波模式和平方律检波模式。当输入功率(单位dB)的变化引起输出功率等量变化时，即为线性检波工作模式。当输入功率发生微小变化(单位dB)，而输出功率发生两倍的变化时，就是平方律检波模式。线性工作算和平方律工作的分界点在哪里？只要SPICE和二极管模型是准确的，SPICE仿真就能给出答案(参见SPICE网络表后的注释1)。输入功率足够使检波后的直流电流等于二极管的饱和电流Is，表示检波器的工作模式介于线性检波和平方律检波之间。此时检波器的功率损耗为7.1dB。

用于SPICE的二极管检波器电路原理图

　　将原理图和零件值输入SpiceNet程序后，程序会自动生成如下所示的Intusoft ISpice网表。

C:\spice8d\Circuits\XSchottky.cir Setup1
*#save V(1) V(2) @R1 @R1[p] @C1 @L1 V(3) @D1[id]
*#save @D1[p] @C2 @R2 @R2[p]
*#viewtran iy3
*#alias iy3 @d1[id]
*#alias y1v(1)
*#viewtran y1
*#alias y2v(2)
*#viewtran y2
*#alias y3xv(3)
*#viewtran y3x
.TRAN 31.25n 502u
*#save all
.OPTIONS reltol=0.00001
.OPTIONS vscale=0.25
.PRINTTRAN IY3
.PRINTTRAN Y1
.PRINTTRAN Y2
.PRINTTRAN Y3x
V1 1 0 SIN 0 0.125 1meg 0 0 0
R1 1 2 700k
C1 2 0 50.52p
L1 2 0 500u
D1 2 3 _HP2835
.MODEL _HP2835 D BV=15 CJO=0 EG=0.69 IBV=2.5e-5 IS=38nA
+ N=1.03 RS=6.4 VJ=0.56
C2 3 0 100p
R2 3 0 700k
END

　　注1：就SPICE二极管模型的精确性而言，某些二极管，尤其是1N34A是不同寻常的，1N34A的Is和n的值不固定，会随着二极管电流变化。对一个1N34A所做的测量显示，电流在320uA时的Is和n值分别为2.7E-6和1.64，在32uA时分别下降到1.21E-6和1.34，在1.8uA时分别下降到6.6E-7和1.05。
　　肖特基二极管好像有固定的n和Is值。
　　上面的SPICE网络表显示，输入V1的是峰值振幅为0.125V的1.0MHz正弦波。(该输入信号电平比使检波器工作在介于线性模式和平方律模式之间时的信号电平低2.74dB。在这个较低的输入信号功率电平下，检波器的插入功率损耗为7.12dB。)
　　在三次仿真中，第一次将使用峰值为0.125V的正弦波输入V1，如网络表所示。第二次将使用峰值略低于1.25V的正弦波输入V1。第三次将使用峰值略低于12.5V的正弦波输入V1。可用输入功率分别为-85.54dBW、-65.54dBW和-45.54dBW(1W以下)。

低输入功率电平下的电流和电压波形

　　黑色曲线表示二极管电流，其他三条曲线在纵轴上都使用相同的刻度。
　　蓝色曲线表示测试点Y2的电压，这是调谐电路两端的电压，其峰值为61.9毫伏，约为测试点V1的1/2。这表明检波器的输入电阻约为700kΩ，输入端有良好的匹配。
　　红色曲线表示二极管两端的电压。请注意，当电压为正时，在1.0MHz正弦波的一个周期内，约42%的时间流过二极管的是正向电流；当电压为负时，流过二极管是反向电流。如果使用更高的输入信号，反向电流会在大约38nA(二极管的饱和电流)时趋于平稳。
　　最后，请注意没有发生峰值检波。
　　虽然加在检波器上的峰值正向电压为61.9mV，但在测试点Y3x测得的二极管输出电压仅为15.7mV。
　　如上所述，输入功率为-85.54dBW，输出功率为((0.0157) ^ 2) / 700kΩ = -94.53dBW，插入损耗 = 94.53 - 85.54 = 8.99dB。

中等输入功率电平下的电流和电压波形(线性检波/平方律检波交换点)

　　在这次仿真中，在测试点Y1的输入电压为1.25V，但在测试点Y2测得的LC调谐电路两端的电压仅为494mV，而不是完全阻抗匹配时的625mV。这表明检波器的输入电阻现在低于700kΩ。
　　二极管的工作模式越来越接近峰值检波。测试点Y3x的输出电压(绿色)为361mV。正向电流所占的时间接近1.0MHz正弦波一个周期的24%。
　　如上所述，输入可用功率为-65.54dBW，输出功率为((0.361) ^ 2) / 700kΩ = -67.30dBW，检波器的功率损耗为67.30 - 65.54 = 1.76dB。

高输入功率电平下的电流和电压波形

　　现在看来，我们越来越接近峰值检波了。在测试点Y2的二极管正电压峰值为4.30V；在测试点Y3x的检波直流电压为4.08V(仅比峰值4.30V低约5%)，二极管的正向导通时间仅占1.0MHz正弦波一个周期的约12%。
　　如上所述，输入可用功率为-45.54dBW。输出功率计算如下((4.08) ^ 2) / 700kΩ = -46.23dBW。检波器的功率损耗降至46.23 - 45.54 = 0.69dB。现在检波器的输入电阻比以前更低了。
　　测试点Y3x的输出电压(绿色)为4.08V，与输入阻抗完全匹配时的6.25V相比有些偏低。为什么会这样？在信号功率较低时，二极管检波器的输入电阻和输出电阻都接近(0.026 * n) / Is 单位Ω。n和Is是用于SPICE的二极管参数，n称为二极管理想因子或发射系数，Is称为二极管饱和电流。Is定义为在外部泄漏因素或反向击穿发生作用之前，二极管在反向偏置方向上的接近渐近的电流。Is对二极管在任何具体电压下正向流过的电流大小也有很大的影响。
　　正如我们所看到的那样，随着信号输入功率的增加，射频阻抗匹配的质量开始下降。二极管检波器的交流输入电阻比第一次匹配良好的低功率电平仿真中达到的值有所下降。有趣的是，输出电阻增加了。产生变化的原因是，当二极管检波器在足够高的功率电平下工作时，输入电阻和输出电阻受新的规则支配，从而导致极低的功率损耗。新规则是，理想二极管峰值检波器的直流输入电阻是输出负载电阻的二分之一。同理，输出电阻等于输入源电阻值的两倍。此外，在本例中由于检波器接近真正的峰值检测器，直流输出电压接近有效值输入电压的√(2) 倍。在理想的峰值检波器中这种关系是必要的，这样交流输入功率才能等于直流输出功率，而且在二极管中不会损失功率。如果我们用将输入源电阻调整到495kΩ、输出负载电阻调整到990kΩ(通过改变输入和输出阻抗转换比)的方法恢复最佳阻抗匹配状态，功率损耗将进一步降低到0.22dB。
　　有关进一步讨论二极管检波器以峰值检波模式工作时的输入电阻和输出电阻的问题，请参阅文章#0的第5条。

文章#8 发布时间：2000-02-13；最新修订：2001-12-25

原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/8DetVIWG/8DetVIWG.html