7.3. Фазовые детекторы
Выражение для фазо-модулированного колебания, как известно, записывается следующим образом:
,
где
-
индекс ФМ (максимальное отклонение
фазы).
Вторая форма записи учитывает то обстоятельство, что ФМ представляет собой разновидность угловой модуляции.
Так как
,
то:
и
.
Параметр
представляет собой максимальную девиацию
частоты при ФМ:
.
Структурная схема ФД представлена на рис.7.32.
Рис.7.32
Фазовое детектирование состоит в получении напряжения или тока, прямо пропорциональных фазовому сдвигу полезного сигнала относительно опорного колебания. В составе ФД обязательно наличие источника опорного колебания Gо. В этом смысле ФД очень похож на ПЧ, у которого fпч≈0, в связи с чем выходной полосовой фильтр в ФД заменен на ФНЧ.
В качестве преобразующего элемента, реагирующего на фазу колебаний, можно использовать:
перемножители сигналов;
нелинейные преобразователи суммы сигналов вида (х+y)2;
преобразователи ФМ в АМ с последующим детектированием.
Пусть входной сигнал и опорное колебание имеют следующий вид:
,
.
В результате перемножения сигналов получаем
При условии
после ФНЧ сигнал принимает вид
.
(7.99)
Так как результат зависит от амплитуды входного сигнала, такое детектирование называют амплитудно-фазовым. Для устранения зависимости выходного напряжения от уровня входного сигнала необходимо наличие входного ограничителя амплитуды. Только тогда детектирование будет действительно фазовым.
Возможны два режима
работы ФД. Первый режим соответствует
рассмотренному выше равенству
.
В этом режиме осуществляется различение
сигналов по фазе. Второму режиму
соответствует условие
.
Выходное напряжение, если считать фазы
сигналов
одинаковыми, в этом случае периодически
меняется во времени с разностной частотой
.
Т.е. осуществляется различение сигналов по частоте. Этот режим характерен для ФД в составе систем фазовой автоподстройки частоты.
Согласно (7.99) детекторная характеристика ФД имеет вид косинусоиды (рис.7.33)
Рис.7.33
Рис.7.34
Рис.7.35
Перемножитель может быть реализован по балансной схеме на основе обычного дифференциального каскада (рис.7.34) или двойной балансной схеме на двух триадах транзисторов (рис.7.35).
При работе транзисторов в ключевом режиме осуществляется стабилизация амплитуд входного напряжения и опорного колебания и линеаризация детекторной характеристики за счет того, что длительность импульсов и постоянная составляющая выходного тока (или напряжения) линейно зависит от угла фазового сдвига входного напряжения относительно опорного колебания.
Рис.7.36
Из рис.7.36 видно,
что длительность выходных импульсов
прямо пропорциональна разности фаз
входного и опорного колебания, т.е.
.
Постоянная составляющая выходного напряжения определяется как среднее значение амплитуды выходных импульсов за период колебания:
Детекторная характеристика ключевого ФД приведена на рис.7.37
Рис.7.37
Преобразование ФМ в АМ может быть осуществлено с помощью суммирования векторов сигнального и опорного колебаний. Такие ФД называют векторомерными.
Рис.7.38
В простейшем однотактном диодном ФД такого типа (рис.7.38) входной сигнал и опорное колебание суммируются с помощью входного трансформатора и результат детектируется с помощью АД. Выходное напряжение формируется из векторной суммы сигналов следующим образом:
.
При выполнении
условия
.
(7.100)
Выражение для крутизны детекторной характеристики имеет вид
.
(7.101)
Графики детекторной характеристики и ее крутизны изображены на рис.7.39.
Рис.7.39
Выходное напряжение, как видно из (7.100), зависит от уровня опорного колебания. Лучшими параметрами обладает балансная схема ФД, изображенная на рис.7.40. Схема содержит входной суммирующий трансформатор и два идентичных диодных АД.
Рис.7.40
Входное напряжение подводится к входам детекторов в противофазе, а опорное напряжение – в одинаковой фазе. В связи с этим векторные суммы сигналов, действующие на диодах можно представить в следующем виде:
,
(7.102)
.
(7.103)
При
выражения упрощаются:
,
(7.104)
.
(7.105)
Выходное напряжение определяется как разность выходных напряжение АД
.
(7.106)
Детекторная характеристика балансного ФД приведена на рис.7.33.
При
выражения (7.102) и (7.103) принимают следующий
вид:
,
(7.107)
.
(7.108)
Учитывая, что
из (7.107) и (7.108) следует
,
(7.107)
.
(7.108)
Выходное напряжение ФД при этом равно
.
(7.109)
Детекторная характеристика в соответствии с (7.109) отличается более протяженным линейным участком (рис.7.41).
Рис.7.41
До сих пор не учитывалась нелинейность характеристик диодов. Представим выражение для тока диода в виде степенного ряда с учетом квадратичного члена
.
(7.110)
Тогда ток диода VD1 (рис.7.40) будет равен
Ток диода VD2 будет равен
Выходной ток ФД представляет собой разность выходных токов
.
(7.111)
Наличие второго слагаемого в (7.111) связано с появлением искажений детектированного сигнала. Устранить искажения такого рода удается в кольцевой схеме ФД (рис.7.42), который содержит два балансных ФД с противоположной полярностью диодов, работающих на одну и ту же нагрузку.
В этом случае токи второй пары диодов соответствуют выражениям
Выходной ток второго ФД представляет собой разность выходных токов диодов и также будет включать составляющую искажений
.
(7.112)
Выходной ток кольцевой схемы представляет собой разность выходных токов (7.111) и (7.112) балансных схем, так как они протекают по общей нагрузке
.
(7.113)
Как видно из выражения (7.113), составляющая искажений при строгом соблюдении балансных свойств при этом отсутствует.
Рис.7.42