Фазовые детекторы. Принципы работы и схемы ФД. Частотно-фазовые детекторы Коммутаторный фазовый детектор

Принцип действия такого ФД можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (u BX и u 0).

На входе такого АД действует суммарное напряжение:

u ∑ = u вх + u 0 =U BX cos (ω 0 t + ψ) + U 0 cos ω 0 t. (5);

Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания:

2.4 Коммутаторный фазовый детектор

Такой фазовый детектор выполнен в виде балансного перемножающего устройства с дифференциальным входом. Входной сигнал U 1 подается на базу транзистора Т 1 , сигнал управляющего напряжения U 2 подается непосредственно на затвор полевого транзистора Т 3 . Последний работает как управляемый напряжением аттенюатор с нулевым смещением на участке исток-сток. Вследствие баланса цепи по постоянному току управляющее напряжение, приложенное к затвору Т 3 , изменяет только сопротивление накала полевого транзистора, не влияя на условие передачи постоянных смещений в цепи. При использовании рассмотренной балансной схемы рис (14), перемножителя в спектре выходного напряжения удается значительно ослабить составляющую частоты

Где S нач - начальная крутизна полевого транзистора Т 3 при (U зи =0);

U зи.отс - напряжение отсеки Т 3 ;

R н - сопротивление нагрузки каждого плеча схемы;

U 2 - амплитуда управляющего напряжения на затворе.

Входное сопротивление схемы на частоте сигнала определяя ется велечиной разных сопротивлений R 1 R 2 и имеет порядок

Максимально возможный коэффициент такого фазового детектора при условии U 2 =0.5U зи.отс определяется выражением:

3.Выбор и обоснование схемы фазового детектора

Разнообразные схемы фазового детектора по принципу действия можно разделить на две большие группы: нелинейные векторомерные и параметрические. Классификация фазовых детекторов приведена на рисунке К векторомерным относятся фазовым детекторам, в которых выходное напряжение Uвых.фд(t) образуется сравнением амплитуд векторных сумм и разности колебаний U 1 (t) и U 2 (t) с помощью нелинейных элементов и последующего детектирования результирующего сигнала.

Детекторы (дискриминаторы) этой группы используют на высоких частотах. Наиболее распространенными дискриминаторами этого типа являются балансные и кольцевые. Балансный фазовый детектор с квадратичными амплитудными детекторами эквивалентен перемножителю входных колебаний с последующей фильтрации высокочастотных составляющих.

К параметрическим относят детекторы, в которых преобразование разности фаз сигналов в выходное напряжение осуществляется при помощи линейных цепей с переменными параметрами. Параметры линейных цепей можно изменять плавно или скачкообразно. Параметрические фазовые детекторы часто называют коммутационными. В коммутационных фазовых детекторах одно из колебаний, называемое опорным, периодически изменяет параметры электрических цепей. В качестве коммутатора (ключа) применяют механические прерыватели; электронные и транзисторные схемы. Коммутационные фазовые детекторы используются обычно на сравнительно низких частотах (до сотен килогерц). В ряде случаев, в том числе когда требуется специальная характеристика фазового детектора, например в цифровых синтезаторах частоты, используются импульсно-фазовые дискриминаторы.

Как уже было сказано выше фазовым детектором называют устройство предназначенное для создания напряжения, пропорционального разности фаз между сигналом и опорным колебанием. Если на входе фазового детектора действует напряжение: u вх = U вх cos, то продетектированное напряжение

Е д = К фд .

Так как в спектре напряжения на выходе фазового детектора имеются частотные составляющие, которых не было в спектре u вх, то для реализации фазового детектора нельзя использовать линейную схему с постоянными параметрами. Фазовое детектирование нельзя также осуществить с помощью простой безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит от амплитуды входного напряжения и не зависит от эго фазы и частоты. Поэтому фазовый детектор можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами.

Структурная схема фазового детектора показана на рисунке (3);

На этой схеме частота гетеродина (опорное напряжение)

Под действием опорного напряжения u 0 меняется активный параметр схемы, обычно это крутизна S.

Напряжение на выходе с коэффициентом передачи К д:

Согласно рисунка 5 напряжение Е Д на входе фазового детектора зависит от входного сигнала; вид зависимости Е Д от определяется отношением U вх /U 0 . В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды.

Если U вх >U 0 то,

Таким образом, при малых амплитудах входного сигнала характеристика детектирования однотактного диодного фазового детектора имеет косинусоидальную форму. Если , то

в этом случае характеристика детектирования представляет собой циклоиду рисунок 5 сильно отличается от косинусоиды.

к.т.н., доцент Петров Евгений Федорович

к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович

(ООО "Технический центр ЖАиС")

I. Принцип работы фазового детектора.

Принципиальная схема фазового детектора приведена на рис.1. Как видно из рис.1, к двум встречно-включенным диодам VD1 и VD2 подводится напряжение сигнала U с =U mc cosω c t и напряжение опорного сигнала U o =U mo cosω o t. При этом частота опорного сигнала, во-первых, ровно в два раза меньше частоты входного сигнала, т.е. ω o =0,5ω c и, во-вторых, сфазирована с ним.

Нагрузкой фазового детектора служит фильтр нижних частот, волновое сопротивление которого равно R ф.

Амплитуда опорного напряжения значительно больше напряжения сигнала U mo >>U mc , и выбирается такой величины, чтобы перекрывался весь нелинейный участок вольт-амперной характеристики диода. Таким образом, диоды выполняют роль электронных ключей, которые открываются под действием сильного сигнала опорной частоты и в эти моменты через диоды проходят импульсы тока частоты сигнала. Длительность импульсов этого тока определяется углом отсечки опорного напряжения.

Принцип работы такого детектора поясняется графиками рис.2. На рис. 2а напряжение опорной частоты и частоты сигнала находятся в противофазе. Когда напряжение опорного сигнала превышает напряжение отсечки, соответствующий диод открывается и через него протекает импульс тока сигнальной частоты. Как видно из рис.2а длительность протекания тока определяется углом отсечки опорного напряжения, период импульсов равен периоду напряжения сигнала. Функция. описывающая форму импульсов тока, является нечетной функцией, поэтому постоянная составляющая тока равна нулю, т.е. на выходе фильтра нижних частот напряжение равно нулю.

На рис.2б и 2в показаны варианты, когда сигналы сфазированы, причем рис.2б иллюстрирует вариант, при котором разность фаз ΔΦ=π/2, а рис.2в - когда ΔΦ=-π/2. Из данных рисунков видно, что в этих случаях импульсы тока описываются четными функциями и на выходе фильтра нижних частот будут максимальными по напряжению и противоположными по знаку. Таким образом выходное напряжение фазового детектора пропорционально синусу разности напряжений фазоопорной и сигнальной частоты U вых =sinΔΦ.

II. Характеристики диодов.

Вольт-амперная характеристика реального полупроводникового диода приведена на рис.3, а на рис. 4 показаны его эквивалентные схемы в прямом и обратном включении.

Элементами эквивалентных схем являются:

r д - дифференциальное сопротивление p-n перехода;

C диф - дифференциальная емкость p-n перехода;

C б - барьерная емкость перехода;

C к - емкость корпуса;

r б - сопротивление базы;

R ут - сопротивление утечки.

На частотах ω<<1/τ p (τ p - время жизни неосновных носителей в области базы) и при большом прямом смещении параметры диода определяются исходя из следующих выражений:

(1)

де k - постоянная Больцмана, T - температура по Кельвину, q - заряд электрона, m - коэффициент равный 1 для германиевых приборов и 0,38...0,9 - для кремниевых, I д - ток диода.

Полное комплексное сопротивление диода в открытом состоянии равно

(2)

На частотах

,тогда

а на более низких частотах

Дифференциальное сопротивление диода зависит от приложенного напряжения и уменьшается с его ростом\. поэтому при малых величинах тока диода сопротивление его на частоте ω д в основном определяется r д. При больших токах диода величина r д уменьшается и возрастает влияние r б, т.е. r д →r б при Uвх→∞.

Ток диода с учетом сопротивления базы описывается следующим уравнением:

откуда крутизна детекторной характеристики:

где

(3)

Из (3) видно, что максимальное значение крутизны диодной характеристики ограничивается величиной r б.

Зависимость крутизны от напряжения опорного сигнала приведена на рис.6.

U1 - максимальное значение амплитуды опорного сигнала,

Uпор - пороговое значение амплитуды сигнала, соответствующее отсечке тока диода. Отсюда ясно, что для повышения коэффициента передачи фазового детектора необходимо выбирать диод с минимальным значением сопротивления базы.

II. Анализ работы фазового детектора.

1. При отсутствии напряжения сигнала.

Учитывая большой уровень опорного сигнала, представим диодную характеристику линейно-ломаной. Тогда характеристика двух встречно включенных диодов представлена на рис.7, где приведены также диаграммы токов и напряжений.

В первом приближении полагаем, что характеристики двух диодов идентичны, т.е. U пор1 =U пор2 =U пор (Ө 1 =Ө 2 =Ө).

Импульсы тока в каждом диоде являются четной функцией времени и имеют период T=1/ω, поэтому могут быть разложены в ряд Фурье

(4)

Коэффициенты ряда Фурье разложения тока, протекающего через первый диод, равны:

Импульсы тока второго диода сдвинуты на полпериода относительно импульсов тока первого диода, т.е. на π. Тогда, используя выражение (5), коэффициенты ряда Фурье

разложения тока второго диода:

Таким образом, при условии идентичности параметров диодов четные гармоники диодов противофазны и в суммарном токе отсутствуют. Нечетные гармоники находятся в фазе и амплитуды их суммируются. Так как частота опорного сигнала в два раза меньше частоты сигнала, то ток на частоте сигнала отсутствует. Таким образом, при отсутствии полезного сигнала входное сопротивление детектора определяется суммарной барьерной емкостью двух диодов. Сопротивление детектора на частоте опорного сигнала равно

(6)

Минимальное значение входного сопротивления детектора для источника опорного напряжения равно:

(7)

2. При наличии напряжения сигнала.

Как видно из диаграмм рис.2 при наличии напряжения сигнала Uс на входе детектора импульсы тока с сигнальной частотой находятся в фазе, и длительность этих импульсов равна 2Ө, т.е. определяется углом отсечки опорного напряжения, рис.8.

Так как функция, описывающая форму импульсов тока является четной функцией, то ток можно разложить в ряд Фурье по косинусным составляющим

Напряжение на выходе низкочастотного фильтра пропорционально постоянной составляющей тока детектора. Ток детектора состоит из усеченных частей косинусоиды, причем угол отсечки сигнального напряжения определяется из соотношения:

Откуда угол отсечки

Ток i (wt) является периодической функцией и в пределах угла 2Ө описывается уравнением:

Постоянная (низкочастотная) составляющая тока

Первая гармоника

Так как выходное напряжение фильтра

Коэффициент передачи детектора равен

(10)

Входное сопротивление детектора на сигнальной частоте

Крутизна диодной характеристики при заданном уровне опорного сигнала определяется путем линеаризации реальной характеристики крутизны диода линейно-ломанной аппроксимацией рис.9.

Из рис. 9 видно, что

(12)

тогда разлагая крутизну S(t) в ряд Фурье по косинусным составляющим и определив первую гармонику, находим

Максимальное значение крутизны равно

При дальнейшем увеличении амплитуды опорного напряжения крутизна диодной характеристики на частоте сигнала растет весьма слабо, а входное сопротивление фазового детектора падает сильнее. Это объясняется тем, что при увеличении U mo форма импульса S(t) вначале приобретает уплощенный характер, а затем трапецеидальный вид, т.е. появляется отсечка верхней части импульса S(t).

V. Выбор типа и параметров фильтра нижних частот.

Тип реализации ФНЧ может быть Чебышевский или Баттервортовский.

Первый тип обеспечивает лучшее подавление за полосой пропускания и имеет более крутой срез частотной характеристики, но при этом обладает большей неравномерностью в полосе пропускания.

Второй тип реализации ФНЧ предпочтительнее для обеспечения высокой равномерности АЧХ в полосе пропускания и малого разброса (<1%) частотных характеристик в многоканальных системах. Однако для обеспечения высокого подавления в полосе заграждения при подобной реализации необходимо увеличивать порядок фильтра. В данном случае порядок фильтра выбирается из требуемого подавления напряжения опорного сигнала, которое определяется заданным динамическим диапазоном фазового детектора.

Расчет требуемого подавления опорного сигнала.

Пусть Uс max - максимальное (линейное) напряжение сигнала на выходе ФНЧ фазового детектора, а K - коэффициент усиления последующих усилителей (например, до входа АЦП). Тогда напряжение сигнала на входе АЦП (максимальное)

Если D - заданный динамический диапазон, то его нижняя граница равна

Полагая, что нижняя граница динамического диапазона при заданном соотношении сигнал-шум определяется в равной степени уровнем собственного шума и просачивающимся напряжением опорного сигнала, то его допустимый уровень на входе АЦП равен

Если напряжение опорного сигнала на фазовом детекторе равно U mo , то требуемое его подавление

(14)

Например, если U с max =60 мВ, динамический диапазон D - 60 дБ, напряжение опорного сигнала U mo = 0,85 В и γ=1, то требуемое подавление (14) составляет 89 дБ.

Подобное подавление опорной частоты обеспечивает фильтр 8-го... 9-ого порядка.

Конфигурация звеньев ФНЧ может быть двух типов, рис.10.

Выбор типа конфигурации звена определяется способом подачи опорного напряжения на диоды фазового детектора. При подаче опорного напряжения по схеме рис. 11а, т. е. в той же точке схемы, где прикладывается напряжение сигнала, входным элементом ФНЧ должна быть емкость, чтобы все высокочастотное напряжение прикладывалось к диодам.

При подаче опорного напряжения по схеме рис. 11б первым элементом фильтра должна быть индуктивность (внутреннее сопротивление источника опорного напряжения на частоте сигнала должно быть близким к нулю).

В случае широкополосного сигнала, т.е. когда верхняя частота фильтра близка к частоте опорного сигнала, реализация ФНЧ с заданным подавлением опорного напряжения осуществляется с большими трудностями. Для ослабления требований к ФНЧ и обеспечения требуемого подавления опорного сигнала фазовый детектор в этом случае может быть выполнен по балансной схеме, рис.12.

Ввиду того, что при таком включении происходит подавление опорного сигнала, уменьшается число звеньев ФНЧ и возможно применение Баттервортовской реализации. Однако в этой схеме необходимо применение четырех диодов с достаточно идентичными параметрами, что на относительно невысоких частотах выполняется путем использования транзисторных матриц в полупроводниковом исполнении. На высоких частотах необходим подбор диодов. Кроме этого, в этой схеме требуется вдвое мощный источник опорного сигнала.

V. Экспериментальное исследование фазового детектора на встречно-включенных диодах.

Экспериментальные исследования проводились с фазовым детектором по схеме рис. 13.

Входной сигнал с частотой fc=20 МГц с параллельного контура L1C1 подается на нелинейный элемент фазового детектора, который представляет собой два встречно-включенных диода (использована транзисторная матрица 159НТ1Е, транзисторы которой работают в диодном включении). Напряжение опорного сигнала подается черех разделительный конденсатор С3. Элементы L2-L4, C4-C6, R1, R2 образуют баттервортовский ФНЧ 6-ого порядка с частотой среза f ср =1,2 МГц. Частота опорного сигнала равна 10 МГц.

Как было показано выше существует оптимальное значение амплитуды опорного напряжения, при котором коэффициент передачи детектора достигает максимального значения. Для данной схемы Uо опт=850 мВ при t=20град. Максимальный допустимый сигнал по входу равен 270 мВ. Коэффициент передачи фазового детектора Kд= 0,4

Фазовым детектором (ФД) называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения. Если на вход ФД действует напряжение

то продетектированное напряжение

Положим, на входе ФД действует напряжение, показанное на рис. 4, а, тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис. 4, б.

Рисунок 4 - Входное (а) и выходное (б) напряжения ФД

Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180є. При фазовой модуляции (ФМ) фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемой информацией. Так как в спектре напряжения на выходе ФД имеются частотные составляющие, которых не было в спектре напряжения, то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами. Фазовое детектирование нельзя также осуществить с помощью простой безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит только от амплитуды входного напряжения и не зависит от его фазы и частоты. Поэтому ФД можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).

Структурная схема ФД показана на рис. 5. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение) . Под действием опорного напряжения меняется активный параметр схемы, обычно крутизна S.

Рисунок 5 - Структурная схема ФД

Схема ФД совпадает также со схемой параметрического амплитудного детектора (АД), поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД

где S 1 - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;

Фазовое детектирование осуществляется с помощью параметрической цепи, в которой источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.

В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы. Для нашей системы мы будем использовать однотактный ФД.

Детектор выполнен по однотактной схеме (рис. 6).

Рисунок 6 - Однотактный диодный фазовый детектор

Для осуществления фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение на выходе ФД определяется выражением (24), полученным при предположении, что. Характеристика детектирования диодного ФД, согласно (24), близка к косинусоиде.

Принцип действия ФД по схеме рис. 5 можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (рис. 7, а). На выходе такого амплитудного детектора действует суммарное напряжение

Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений (рис 7, б) получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания

Рисунок 7 - Система с АД суммы двух гармонических колебаний (а); векторное сложение двух напряжений (б)

Напряжение на выходе АД с коэффициентом передачи

Согласно (27), напряжение на выходе ФД зависит от ц входного сигнала; вид зависимости от ц определяется отношением. В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис. 8, а). Если, то