Детектори ФМ-сигналу

На структурному рівні детектор ФМ-сигналу або частіше використовувана назва “фазовий детектор” ̶ це шестиполюсник із двома парами вхідних та однією парою вихідних електродів (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Фазовий детектор

Обидва вхідні сигнали аналітично можна описати виразами

Вихідний сигнал фазового детектора описується виразом

,

де γ - узагальнена фаза, що дорівнює

До основних характеристик фазового детектора слід віднести:

− крутизна перетворення фазомодульованого сигналу

− коефіцієнт передачі фазового детектора

Фазові детектори забезпечують найвищий коефіцієнт передачі при детектуванні сигналів із рівними частотами

Найпростіший фазовий детектор може бути реалізований із використанням одного напівпровідникового діода (рис. 2.2, а). Нехай опорний та детектований сигнали мають синусоїдальну форму (рис. 2.2, б).

Вихідним сигналом даної схеми буде спад напруги на резисторі . Вважатимемо, що опорний сигнал має ту ж амплітуду, частоту, що і детектований, але між ними існує деяка різниця фаз (рис. 2.2, б), яка виражається затримкою опорного сигналу на деяку частину періоду відносно детектованого.

Струм через діод, а отже, і спад напруги на навантаженні буде спостерігатись лише в ті інтервали часу, коли результуюча напруга, прикладена до діода, буде відповідати прямому зміщенню. Заштриховані області (рис. 2.2, б) відповідають часовим інтервалам, коли діод відкритий. Не важко бачити, що якщо = 0 (тобто різниця фаз між опорним та детектованим сигналами є нульовою), то струм через діод протікати не буде. У міру збільшення різниці фаз між цими сигналами середня величина струму буде зростати, досягаючи максимуми при різниці фаз між опорним та детектованим сигналами =

а)

б)

Рис. 2.2. Простий фазовий детектор: а) схема електрична принципова; б) осцилограми напруг детектованого та опорного сигналів

Наведена схема (рис. 2.2, а) характеризується низькою ефективністю детектування, оскільки працює лише протягом одного півперіода детектованої напруги. Більш висока ефективність роботи фазового детектора забезпечується при використанні схеми балансного фазового детектора (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема балансного фазового детектора

Рис. 2.4.Векторна діаграма напруг балансного фазового детектора

При дотриманні умов симетрії параметрів елементів схеми детектора (рис. 2.3) та нульовій різниці фаз між опорним та детектованим сигналами величини напруг, до яких будуть заряджені конденсатори С₁ та С₂ будуть рівні між собою , отже, вихідна напруга детектора буде дорівнювати нулеві.

У загальному випадку величина напруги на діоді VD1

Напруга, що буде діяти на нижньому діоді VD2 у схемі (рис. 2.3), буде дорівнювати:

Величина напруги на виході схеми пропорційна коефіцієнту передачі детектора та різниці напруг, що подаються на діоди:

Розглянемо залежність коефіцієнта передачі детектора від величини фазового зсуву між опорним та детектованим сигналами при різних співвідношеннях амплітуд між вказаними сигналами (рис. 2.5). Як бачимо, пропорційність залежності коефіцієнта передачі від спостерігається лише при рівності амплітуд опорного та детектованого сигналів. У реальних умовах амплітуда детектованого сигналу значно менша ніж амплітуда опорного. Тому на практиці слід користуватись кривою 1 або принаймні кривою 2 залежності коефіцієнта передачі від . Надалі, при аналізі роботи схеми фазового детектора будемо розглядати саме цей випадок співвідношення між амплітудами вхідних сигналів.

Рис. 2.5. Залежність коефіцієнта передачі детектора від величини різниці фаз між опорним та детектованим сигналами при різних співвідношеннях амплітуд між ними

У виразі для вихідної напруги фазового детектора, винісши з-під кореня квадратного , отримаємо:

Оскільки в реальному випадку , тому:

отже,

Таким чином, першими доданками в дужках через їх малість можемо знехтувати. Для спрощення виразу для вихідної напруги детектора скористаємося формулою бінома Ньютона

Для першого та другого виразів у дужках, обмежуючись першими двома доданками бінома Ньютона, отримаємо:

звідси

Після додавання отримаємо

Отже,

Розглянемо графік залежності вихідної напруги фазового детектора від різниці фаз між опорним та детектованим сигналами за умови (рис.2.6).

Рис. 2.6. Залежність вихідної напруги від різниці фаз при

Отже, вихідна напруга має косинусоїдальний характер і залежність від величини різниці фаз між опорним і детектованим сигналами.

Діапазон пропорційності залежності вихідного сигналу від різниці фаз вищезазначених сигналів в основному обмежується інтервалами між точками АВ. Слід звернути увагу на таку важливу обставину: що величина напруги вихідного сигналу не залежить від амплітуди опорного сигналу незважаючи на те, що .

З метою підвищення ефективності детектування фазомодульованих коливань використовують діодні кільцеві фазові детектори.

Рис. 2.7. Схема електрична принципова кільцевого фазового детектора

Фактично кільцевий фазовий детектор – два суміщених балансних детектори. та утворюють схему одного балансного детектора, а та – схему другого балансного детектора, причому обидва детектори мають одне й те ж навантаження.

Використання у схемах фазових детекторів активних елементів забезпечує можливість не тільки здійснювати операцію детектування, але й підсилювати детектований сигнал (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема електрична принципова балансного детектора

на польових транзисторах

Транзистори (рис. 2.8) працюють у ключовому режимі, при цьому опорна напруга U₂ повинна мати форму меандру, ця ж напруга використовується як напруга живлення транзисторів . Робоча точка транзисторів задається напругою зміщення Е_зм. Оскільки транзистори характеризуються певним розкидом параметрів, тому для симетрування схеми (верхня та нижня половини схеми) використовується потенціометр .

Фазові детектори в інтегральному виконанні часто реалізуються за схемою детекторів перемножувального типу (рис. 2.9).

По суті, дана схема є схемою диференційного підсилювача з регульованою величиною крутизни транзисторів , яка змінюється шляхом зміни величини опорної напруги . Опорна напруги в даному випадку може бути лише додатної полярності.

Рис. 2.9. Схема двоквадрантного фазового детектора перемножую чого типу

Вихідний сигнал (рис 2.1.9) пропорційний різниці колекторних струмів транзисторів , стан яких у свою чергу змінюється під впливом вхідного сигналу . Зміна станів транзисторів відбувається протифазно. За принципом роботи даної схеми полярність напруги опорного сигналу U ₂ не може набувати від’ємних значень. Може змінюватись лише полярність сигналу U_1.. Вихідний сигнал даної схеми пропорційний добутку напруг сигналу та сигналу U ₂. Саме тому дана схема отримала назву двоквадрантного фазового детектора Вихідним сигналом даної схеми буде спад напруги на резисторі . Вважатимемо, що опорний сигнал має ту ж амплітуду, частоту, що і детектований, але між ними існує деяка різниця фаз (рис. 2.2, б), яка виражається затримкою опорного сигналу на деяку частину періоду відносно детектованого.

Струм через діод, а отже, і спад напруги на навантаженні буде спостерігатись лише в ті інтервали часу, коли результуюча напруга, прикладена до діода, буде відповідати прямому зміщенню. Заштриховані області (рис. 2.2, б) відповідають часовим інтервалам, коли діод відкритий. Не важко бачити, що якщо = 0 (тобто різниця фаз між опорним та детектованим сигналами є нульовою), то струм через діод протікати не буде. По мірі збільшення різниці фаз між цими сигналами середня величина струму буде зростати, досягаючи максимуми при різниці фаз між опорним та детектованим сигналами =

Можливість зміни полярності напруги опорного сигналу U ₂ забезпечуеться у схемі чотириквадрантного фазового детектора перемножуючого типу (рис. 2.1.10). Схема утворена трьома парами диференційних підсилювачів. Детектований сигнал подається протифазно на транзистори диференційного підсилювача та . На кожну з цих пар транзисторів подається синфазно сигнал із диференційної пари, утвореної транзисторами .

Рис. 2.10. Чотириквадрантний фазовий детектор перемножуючого типу

Сумарний струм, що протікає через транзистори диференційної пари визначається колекторним струмом транзистора VT7; у свою чергу, величина колекторного струму цього транзистора визначається напругою параметричного стабілізатора, що утворюється транзистором як стабілітроном та резистором R3, який слугує баланcним резистором параметричного стабілізатора.

Дана схема належить до чотириквадрантних, оскільки реагує на зміни полярності як детектованого, так і опорного сигналів.

Контрольні запитання та завдання

1. Фазові детектори. Основні параметри і характеристики. Принцип роботи та схемо технічна реалізація.

2. Недоліки простішого фазового детектора на одному діоді.

3. Балансний фазовий детектор. Величина вихідної напруги балансного фазового детектора. Кільцевий фазовий детектор.

4. Фазові детектори на польових транзисторах. Інтегральне виконання фазових детекторів.

5. Який вигляд матиме осцилограма напруги на навантаженні у схемі простішого фазового детектора на одному діоді, якщо різниця фаз між опорним детектованим сигналами = ?

6. Чому схема (рис. 2.9) отримала назву двоквадрантного фазового детектора?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: