Um circuito detector de envelope é um circuito elétrico retificador de onda completa , consistindo em um diodo e um capacitor em série .
Quando é usado, por exemplo em rádio , para extrair o sinal de baixa frequência de uma frequência portadora modulada em amplitude , é chamado de circuito de detecção .
Em outros aplicativos,
Um circuito detector de envelope consiste em um diodo em série conectado a uma carga composta por um capacitor e um resistor .
Seu sinal de entrada é uma frequência portadora da qual queremos extrair a modulação. É, portanto, uma corrente alternada , apresentando uma tensão ora positiva ora negativa.
Quando a tensão de entrada é positiva, o diodo conduz e o capacitor carrega. Quando a tensão de entrada é negativa, o diodo é bloqueado, o capacitor descarrega na carga. Como a resistência presente no circuito quando o capacitor está carregado é pequena, o capacitor é muito mais rápido do que a descarga no resistor. Se a constante de tempo do circuito resistor-capacitor for escolhida corretamente, sua tensão permanecerá aproximadamente constante entre dois picos da portadora.
A equação elétrica do sistema é a seguinte:
Quando a tensão de entrada é positiva assumindo uma tensão DC definida mais alta do que a tensão limite do diodo, o capacitor não passa nenhuma corrente, e , onde I é a corrente de entrada, que também flui através da carga; Agora, assumindo uma variação da tensão de entrada, a constante de tempo do circuito é obtida com R s e R carga em paralelo: No caso ideal, a tensão do diodo seria zero, bem como a resistência de saída e o capacitor seria carregado instantaneamente. Quando a tensão de entrada é negativa O diodo sendo polarizado reversamente é equivalente a um corte. O capacitor descarrega no resistor de carga, com uma constante de tempoEm ambos os casos, quanto maior a constante de tempo τ, mais constante é a tensão de saída.
Circuito RC MatemáticaDenotamos por I a corrente entre o capacitor e o resistor. A variação de tensão através do capacitor depende da corrente que o carrega:
Como essa corrente também flui pela resistência,
Derivando esta segunda equação, obtemos:
É :
Ao resolver a equação diferencial de primeira ordem, obtemos:
Onde I 0 é a corrente no início da descarga, então quando o capacitor está em sua tensão máxima:
E entao :
É totalmente irrelevante, do ponto de vista da função do circuito, se a constante de tempo é obtida por uma resistência em série - circuito de capacitores em paralelo ou um circuito de resistência - bobina em série, ou qualquer outra, ativa ou passiva, de qualquer ordem .
A modulação de amplitude transforma um sinal de baixa frequência em um sinal de alta frequência para facilitar a transmissão. A informação, ou seja, o sinal de baixa frequência, forma o envelope ou sinal modulante do sinal de alta frequência denominado sinal de portadora. Matematicamente:
onde f é a frequência da portadora, C sua amplitude na ausência de modulação e s ( t ) o sinal a ser transmitido, ou modulação.C + s ( t ) é o envelope.
Na modulação de frequência , o envelope é constante. No entanto, muitos receptores FM medem para obter informações sobre a intensidade do sinal.
A constante de tempo τ = RC deve permitir a eliminação da frequência portadora, sem afetar muito as frequências mais altas do sinal. Podemos propor
onde a modulação T min é o período correspondente à frequência mínima do sinal modulante e a portadora T é a da portadora (inverso de sua frequência).Esse ideal implica que a frequência da portadora é pelo menos cem vezes a frequência da modulação. Essa condição nem sempre é atendida; a radiodifusão de ondas longas ocorre entre 150 e 300 kHz para larguras de banda cujo limite superior atinge ou excede 10 kHz . É, portanto, detectado com um resíduo portador, que é então filtrado, ou melhor ainda, a detecção heteródina é usada com uma frequência intermediária constante, que é mais fácil de eliminar.
Um filtro passa-alta elimina o componente DC.
Associado apenas a um circuito de sintonização e a um fone de ouvido, um circuito de detecção forma uma estação galena que permite ouvir um sinal de radiodifusão desde que seja suficientemente potente.
Um amplificador operacional pode ser adicionado ao conjunto. O circuito diodo-RC é influenciado pela característica exponencial do diodo, que geralmente é equiparada a uma tensão de limiar. A detecção é distorcida se os picos da modulação se aproximam de zero na portadora. No rádio isso não acontece, pois as regulamentações limitam o nível de modulação e usamos uma frequência intermediária, com amplitude bem definida, para detecção de heteródinos . Em outras aplicações, a modulação pode chegar a 100% e um circuito ativo deve ser usado para demodulação.
Se o pico de modulação se aproxima da amplitude da frequência portadora, a tensão, neste instante, estará abaixo do limiar de condução do diodo e a modulação será cortada na saída.
O amplificador operacional em loop compensa a diferença entre seus dois terminais de entrada (+ e -). Em inglês, esse conjunto é chamado de detector de pico .
Quando o sinal não é simétrico e queremos extrair o valor pico a pico dele, as duas meias-ondas devem ser retificadas . Isso pode ser feito por um circuito de diodo ou por um circuito amplificador operacional.
De crista a cristaUm circuito de grampo (entrada) (quadro vermelho na figura) adiciona a tensão necessária para sempre ter um sinal positivo: o circuito se torna um dobrador de tensão .
Quando a tensão de entrada é negativa, a corrente flui através do diodo D c e carrega o capacitor C c . Quando a tensão torna-se positiva novamente, o diodo é bloqueado e o circuito de detecção adiciona o valor do pico mais alto ao do pico mais baixo que permaneceu em C c .
Valor absoluto máximoEste circuito detecta um dos picos mais distantes de zero. Pode ser usado para verificar se o sinal não excede os limites, positivos ou negativos, permitidos.
Um dos dois amplificadores operacionais é um detector sem limite conforme indicado anteriormente.
O outro é montado como inversor seguidor, com o diodo inserido na saída, e retifica a meia onda negativa sem limite.
As duas saídas convergem no capacitor.
Em geral, o sinal de áudio não é balanceado. Para medir a amplitude do sinal de pico a pico para verificar se ele não excede um valor limite ou para evitar que isso aconteça, um arranjo de detector de onda completa deve ser usado.
No campo da música, os detectores de envelope podem ser usados em pedais , em que o detector de envelope é usado para ajustar o ganho de um amplificador controlado por voltagem ( (en) VCA ) ou a frequência de corte de um filtro. Neste caso, quando estamos preocupados não com a integridade do sinal ou sua distorção , mas com a obtenção de um som interessante, podemos dispensar a detecção de onda dupla. As mesmas considerações podem ou não se aplicar a outros efeitos mais sofisticados, e os filtros controlados por voltagem de sintetizadores analógicos são circuitos semelhantes.
Em outros circuitos, como compressor de áudio , raramente é, exceto em limitadores suaves ( (in) soft clippers) para evitar que um sinal de áudio exceda os limites permitidos antes de um conversor analógico-digital ou um transmissor sem fio. A quantidade útil para controlar a dinâmica é, na verdade, o valor rms do sinal, ligado à potência e ao volume do som percebido. A configuração de detecção quadrática de onda dupla é usada.
Para obter um valor de saída próximo ao valor rms em vez do valor de pico, o mesmo conjunto é usado como para um detector de envelope, mas com um sinal de entrada muito mais baixo do que a tensão limite do diodo.
Quando uma tensão direta V é aplicada ao diodo, uma corrente de intensidade I passa por ele, de acordo com uma lei exponencial :
onde I s é a corrente de saturação, dependendo do diodo usado, q , a carga de um elétron (1,6 × 10 −19 C ), K , a constante de Boltzmann (1,38 × 10 −23 J grau −1 ) e T a temperatura em Kelvin .Para uma tensão , ou seja, aproximadamente 0,026 V à temperatura ambiente, em torno de 300 K , o expoente do exponencial é zero e I = I s . Nós podemos escrever
Podemos desenvolver o exponencial em série e
Se dermos a nós mesmos uma precisão de 1% como objetivo e quisermos negligenciar os termos além da potência de dois, a integral desses termos deve ser menor que 0,01. Podemos considerar que este é o caso se V for menor que 0,2 × v 0 . Nessas condições, temos
O sinal de entrada pode ser dividido em uma soma de sinusóides. Vamos posar
e gosto ,
O capacitor deve causar curto-circuito nos componentes CA cujo envelope procuramos estabelecer, ele permanece
Em uma carga resistiva, a tensão de saída será, portanto, razoavelmente proporcional ao quadrado da amplitude do sinal CA de entrada, isto é, proporcional à potência deste sinal, desde que sua amplitude não exceda aproximadamente 5 mV .
Com a retificação de onda completa por ponte de diodos , sempre há dois diodos em série no circuito e o valor máximo da tensão CA na entrada é duplicado.
Este princípio é a base do medidor VU para medições de áudio. Neste dispositivo, a inércia do galvanômetro, bem definida pela norma, substitui o capacitor para a eliminação dos componentes AC.
Se um retificador de onda completa for usado para dobrar a frequência de um sinal de entrada senoidal, manter a amplitude do sinal dentro dos limites da detecção quadrática reduz bastante o nível dos harmônicos a serem filtrados.
Para sinais digitais, a detecção de envelope é tão simples quanto criar uma variável envelope_value para o valor de saída e, para cada nova amostra:
A detecção RMS (detecção quadrática) envolve o quadrado do valor da amostra; para evitar esse cálculo, podemos primeiro comparar a ordem de magnitude do valor de saída e a da nova amostra, que é diretamente acessível quando os valores são codificados em ponto flutuante . A taxa de decaimento do valor é o quadrado do valor de pico.