Модуляторы ВЧ колебаний на биполярных транзисторах

 

Транзисторный выключатель. Устройство (рис 721) пред­назначено для дистанционного включения переменного сигнала при отрицательном управляющем сигнале 1 В входной сигнал с ампли­тудой менее 1 В не проходит через транзисторы VT1 и VT2 Ослаб ление входного сигнала может превышать 100 дБ на частотах до 10 МГц. Для открывания схемы на управляющий вход подается напряжение положительной полярности 2 — 3 В. В этом режиме оба транзистора открыты. Коэффициент усиления схемы равен 09

Диодный выключатель. При отсутствии сигнала на управляю­щем входе (рис. 7.22) транзистор VT2 закрыт. Положительное кол­лекторное напряжение закрывает диоды VD1 и VD2 Положительное напряжение на управляющем входе открывает транзистор VT2 и на его коллекторе появляется напряжение минус 4 В которое от­кроет диоды. Входной сигнал с амплитудой 0,5 В, через диоды пройдет на выходы. Частота входного сигнала 100 МГц Диодный выключатель может работать в широком диапазоне частот Для уменьшения нижней граничной частоты входного сигнала необходи­мо увеличить емкости конденсаторов. При входном сигнале с амп­литудой более 1 В выходной сигнал имеет нелинейные искажения

Диодный высокочастотный выключатель. Импульсный модуля­тор высокочастотного сигнала (рис. 7.23) представляет собой диод­ный переключатель. Когда управляющий транзистор закрыт отри­цательное напряжение на его коллекторе закрывает диоды V D1 и VD2 и открывает диод VD3. Конденсатор С1 ослабляет входной сигнал, который проходит через закрытый диод VD1. В результате этого общее ослабление на выходе схемы составит более 70 дБ. При открывании транзистора VT1 положительное напряжение открывает диоды VD1 и VD2 и закрывает диод VD3. Входной сигнал через диоды поступает на выход. Схема может управлять сигналами с частотой до 30 МГц. Скорость переключения может составлять 500 кГц.

Рис. 7.21 Рис. 7.22 Рис. 7.23

Рис. 7.24

 

Генератор радиоимпульсов. Генератор (рнс. 7.24) построен на одном транзисторе, включенном с ОБ. Коэффициент трансформации в пределах 0,3 — 0,15 не критичен. При запуске схемы на управля­ющий вход поступает положительный импульс с амплитудой до 5 В. Цепочка R2, С2 создает автоматическое смещение. Для транс­форматора с обмотками (w1=25 витков, w2 = Q витков, w3 = 2 вит­ка), намотанными на каркасе диаметром 7 мм, частота гармониче­ского сигнала равна 20 — 30 МГц. Колебания нарастают за 2 — 3 пе­риода. Длительность спада радиоимпульса определяется сопротивле­нием резистора R1. Для R1 — 1 кОм затухание происходит за 2 — 3 периода. Если применить транзистор ГТ313, можно получить колебания с частотой 100 — 150 МГц; при этом трансформатор дол­жен иметь обмотки (w1=4,5 витка; w2=1 виток) на каркасе диаметром 7 мм, R2 = 91 Ом; С2=18 пФ. Нарастание колебаний происходит за 5 — 7 периодов.

 

Рис. 7.25

Рис. 7.26

 

Импульсные высокочастотные модуляторы. В модуляторе (рис. 7.25) транзистор работает в режиме лавинного пробоя. При больших коллекторных напряжениях переход эмиттер — база транзисторов имеет участок с отрицательным дифференциальным сопро­тивлением. Максимумом 5-образной характеристики можно управ­лять напряжением в цепи базы. В данных модуляторах коллектор­ное напряжение выбрано немного меньше напряжения лавинного пробоя. При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт. Поло­жительный сигнал в цепи базы открывает транзистор. Эмиттерный переход смещается в область отрицательного сопротивления. В эмит-терной цепи возникают релаксационные колебания, частота которых определяется цепочкой R3, С2. Конденсатор С1 шунтирует колеба­ния в цепи коллектора. В схеме рис. 7.25, а на выходе формиру­ются импульсные сигналы положительной полярности с амплитудой 5 В и частотой порядка 20 кГц. Схема рис. 7.25, б позволяет полу­чить сигналы отрицательной полярности с амплитудой 2 В и часто­той около 70 кГц.

В этих модуляторах могут быть использованы транзисторы П411Б с коллекторным напряжением 40 В и транзисторы ГТ311Ж с коллекторным напряжением 30 В, причем на этих транзисторах можно получить импульсы с частотой повторения до 100 МГц.

Управляемый высокочастотный генератор. Генератор гармони­ческих колебаний (рис. 7.26) собран на транзисторе VT2. Колеба­ния в схеме отсутствуют до тех пор, пока открыты диодные ключи на VD1 и VD2, которые шунтируют контур. Работой диодных клю­чей управляет транзистор VT1. Входной импульс положительной полярности закрывает транзистор VTJ и, следовательно, диоды VD1 и VD2. Поскольку постоянный ток транзистора VT1 протекает через контур, то при закрывании его в контуре возникают колебания ударного возбуждения. Эти колебания в генераторе на VT2 поддер­живаются ПОС через обмотку ОС и резистор R7. По мере возра­стания амплитуды колебаний в генераторе начинают проводить включенные в цепь ООС диоды VD3 и VD4, которые ограничивают ПОС. Таким образом стабилизируется амплитуда гармонических колебаний. При изменении питающего напряжения с 8 до 16 В амплитуда выходного сигнала меняется на 3%. Верхняя граничная частота схемы доходит до 1 МГц.

Генератор радиоимпульсов с низкоомным выходом. Генератор (рис. 7.27) предназначен для работы на емкостную нагрузку. Когда на входе отсутствует управляющий сигнал, транзистор VT1 открыт и находится в насыщении. Через индуктивность протекает ток. С приходом управляющего импульса транзистор закрывается.

Рис. 7.27

 

В контуре должны возникнуть затухающие колебания. Однако это­го не происходит. При работе эмнттерного повторителя на емкост­ную нагрузку с индуктивным сопротивлением в цепи базы в схеме возникают колебания. Емкость нагрузки, при которой начинает воз­буждаться эмиттерный повторитель, определяется выражением Сн = т_к/h_21Э R₆, где т_к — постоянная времени транзистора с ОЭ; h_21Э — коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ. В результате на выходе существуют незатухающие колебания. Для устранения возбуждения колебаний, когда транзистор VT1 открыт, в схему введен резистор R3.

Амплитуда гармонического сигнала с частотой 10 МГц на на­грузке с емкостью до 2 нФ составляет 5 В, а амплитуда сигнала с частотой 6 МГц на нагрузке с емкостью до 3,5 нФ равна 10 В Длительность управляющих сигналов от 0,1 икс до десятков мил­лисекунд.

 

МОДУЛЯТОРЫ НА ОУ

 

Дискретный фазовый модулятор. Операционный усилитель в схеме модулятора (рис. 7.28) меняет знак коэффициента усиления в зависимости от полярности управляющего напряжения. Когда уп­равляющий сигнал имеет отрицательную полярность, транзистор VT закрыт. Сигнал поступает на оба входа ОУ, который работает в этом случае как повторитель. Коэффициент усиления будет ра­вен 1. При положительном управляющем сигнале транзистор VT1 открывается. Неинвертирующий вход усилителя в этом случае ока­зывается заземленным. Входной сигнал теперь поступает только на инвертирующий вход. Следователь­но, коэффициент усиления будет ра­вен — 1.

Рис. 7.28

 

Амплитуда допустимого входно­го сигнала определяется допусти­мыми параметрами ОУ. Управляю­щий сигнал отрицательной полярно сти должен превышать амплитуду входного сигнала. В противном слу­чае отрицательная полярность вход­ного сигнала откроет переход база — эмиттер транзистора VT1 и на вы­ходе появится искаженный сигнал.

Фазовый модулятор на ОУ. Ц основу фазового модулятора (рис 729, а) положена RС-цепь, подключенная к неинвертируюшему входу ОУ Независимо от частоты входного сигнала амплитуда выходного сигнала остается постоянной. Фазорегулируемая RС-цепочка построена на конденсаторе С1 и сопротивлении полевого транзистора. Зависимость фазы выходного сигнала от управляюще­го напряжения в затворе полевого транзистора показана на рис. 7.29,6. Следует иметь в виду, что при фазовых сдвигах близ­ких к 90°, могут возникнуть нелинейные искажения в выходном сигнале, если амплитуда вход­ного сигнала более 100 мВ

Рис. 7.29

 

Модулятор на полевом тран­зисторе и ОУ. Модулятор (рис. 7.30) построен на ОУ, ко входам которого подводится гар­монический сигнал. Переключе­ние фазы выходного сигнала осу­ществляется с помощью полевого транзистора VT1, который может находиться в открытом или за­крытом состоянии. Управление полевым транзистором осуществ­ляется транзистором VT2. При нулевом напряжении в базе тран­зистора VT2 полевой транзистор закрыт. Положительное управля­ющее напряжение открывает транзистор VT2. В затворе полевого транзистора будет нулевой потенциал, который является для него открывающим.

При закрытом полевом транзисторе входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ. Коэффициент усиления усилителя опре­деляется резисторами R3 — R5. Когда полевой транзистор открыт, входной сигнал поступает на оба входа. Однако, поскольку неинвер­тирующий вход имеет сигнал в два раза больше, чем сигнал на инвертирующем входе, то на выходе будет существовать сигнал, совпадающий по фазе с входным сигналом. Общий диапазон изме­нения фазы выходного сигнала составляет 180°.

Рис. 7.30

 

Глава 8

ДЕТЕКТОРЫ

 

Детектирование является процессом, обратным модуляции. Возможны три вида детектирования: амплитудное, частотное и фа­зовое. Кроме этого существует синхронное детектирование, которое в равной степени может быть применено для любого вида модуля­ции. При синхронном детектировании осуществляется процесс пере­множения входного сигнала с опорным. Опорный периодический сигнал может носить как гармонический, так и релейный характер. Большое распространение получил релейный вид опорного сигнала.

Несинхронное детектирование не требует дополнительного сиг­нала. При таком детектировании каждый вид модуляции требует свою преобразующую схему. Амплитудное детектирование осуществ­ляется с помощью выпрямительного диода. Частотное детектирова­ние требует предварительного преобразования ЧМ колебаний в AM, например, с помощью колебательного контура, резонансная ча­стота которого расстроена относительно частоты высокочастотного сигнала, с дальнейшим амплитудным детектированием. Аналогичную структуру имеют фазовые детекторы, с той лишь разницей, что для преобразования ФМ колебаний в AM используется, например, RС-цепь.

Простые детекторы имеют ряд существенных недостатков, ко­торые заставляют усложнять схему детекторных устройств. Для AM сигнала существенные ограничения возникают из-за порога от­крывания выпрямительного диода. По этой причине чувствитель­ность детектора получается низкой. Применение транзисторов и ОУ значительно увеличивает динамический диапазон детектора. Необ­ходимость точного преобразования малых сигналов связана со все-расширяющимся использованием в радиоэлектронных устройствах микросхем и соответствующим снижением уровней рабочих сиг­налов.

Расстроенный одиночный контур, используемый в ЧМ детекто­рах, имеет ограниченный линейный участок. Для расширения ли­нейного участка возможно применение двух расстроенных контуров, но и в этом случае выходная характеристика детектора оставляет желать лучшего. В последнее время в качестве частотного детек­тора применяются дифференцирующие схемы. Амплитуда выходного гармонического сигнала в этих схемах прямо пропорциональна ча­стоте входного сигнала.

Детектирование ФМ сигналов не отличается принципиально от детектирования ЧМ сигналов. Здесь могут применяться те же ме­тоды, что и при детектировании ЧМ колебаний.

Общим детектором для всех видов модуляции является синхрон­ный детектор. Перемножение входного сигнала с опорным форми­рует на выходе синхронного детектора сигнал, несущий информацию об изменении амплитуды, частоты и фазы входного сигнала. Пусть U_BX. = A (t)cos[w₀t+f (t)] и U_оп = соsw₀t. Выходной сигнал описы­вается выражением

После фильтрации высокочастотных составляющих получим U_выx = = A(t)cosf(t) /2 Здесь при A(t)=const и f(t)=ф(t) получим U_вых = cos ф (t) — фазовый детектор, для f(t) =Qt — частотный де­тектор, а для f (t) = const U_вых==A(t)/2 — амплитудный детектор. Установка рабочего режима ОУ, который используется в устрой­ствах, показана в гл. 1.

ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

 

Измерительный детектор. Детектор (рис. 8.1, а) измеряет дей­ствующее значение переменного сигнала с частотами более 500 кГц. Малое падение напряжения на базо-эмиттерном переходе в тран­зисторе позволяет измерять сигналы с амплитудой от 50 мВ. Вход­ное сопротивление схемы для положительной полуволны сигнала больше 100 Ом, а для отрицательной полуволны — более 2 кОм. На рис. 8.1,6 проиллюстрирована зависимость показаний измеритель­ного прибора от входного сигнала.

Рис. 8.1

 

Детектор с большим динамическим диапазоном. Детектор (рис. 8.2) осуществляет преобразование входных сигналов с амп­литудами от единиц милливольт до 5 В. Кроме детектирования схема осу­ществляет усиление преобразованного сигнала. Регулировка усиления выпол­няется с помощью резистора R2. Коэф­фициент усиления может меняться от единицы до нескольких тысяч.

При действии на входе сигнала положительной полярности на выходе ОУ DA2 формируется сигнал также по­ложительной полярности, причем диод VD4 будет закрыт, а диод VD3 откры­вается и к выходу подключается рези­стор R2. С этого резистора на инверти­рующий вход ОУ DA2 подается сигнал ООС. Отрицательная полярность вход­ного сигнала проходит через усилитель DA2 и открывает диод VD4. По сигна­лу отрицательной полярности ОУ работает в режиме повторителя сигнала. Через резистор R2 отрица­тельный сигнал поступает на вход ОУ DA1. На его выходе фор­мируется сигнал положительной полярности, который проходит через диод VD2 на выход схемы. Коэффициент передачи для этой полуволны входного сигнала также устанавливаемся резистором R2. В детекторе можно применить различные типы интегральных микросхем.

Чувствительный детектор. Детектор (рис. 8.3, а) имеет ччвст-вительность 0,2 мВ. При этом сигнале постоянная составляющая на входе равна 3 мВ. Передаточная функция детектора показана на графике рис. 8.3,6. Коэффициент усиления детектора меняется с амплитудой входного сигнала. Для сигнала более 10 мВ коэффици­ент усиления превышает 10³. Эти характеристики детектора получа­ются за счет того, что транзистор VT2, который детектирует сиг­нал, находится под плавающим пороювым напряжением. При от­сутствии сигнала постоянное напряжение коллектор — база транзи­стора VT1 соответствует напряжению, которое открывает VT2, и равно примерно 0,6 В. Входной сигнал, усиленный транзистором VT1, управляет работой второго транзистора. Положительная по­луволна входного сигнала закрывает транзистор VT2, а отрица­тельная полуволна открывает. Выходной сигнал транзистора VT2 поступает в базу следующего транзистора, который уменьшает вы­ходное сопротивление детектора и увеличивает его чувствитель­ность. Для создания смещения на транзисторе VT3 служит рези­стор R4. С помощью резистора R6 компе нрчется коллекторный ток транзистора VT3 при отсутствии входного сигнала. На графике рис. 8.3, б приведена зависимость постоянного выходного напряже­ния от напряжения на входе.

 

Рис. 8.2

 

Детектор на ОУ. Детектор на ОУ (рис. 8.4. а) обеспечивает эквивалентное уменьшение прямого паления напряжения на выпря­мительных диодах до 1000 раз. За счет этого достигается точное соответствие между амплитудой входного переменного напряжения и выходным постоянным напряжением. Эта схем? обеспечивает де­тектирование сигналов с амплитудой в несколько милливольт Однако при малых уровнях входного сигнала точность схемы ухуд­шается, что связано с влиянием ограниченного усиления, наличием смещения и его температурного дрейфа и т. п. на выходные харак­теристики де1сктора. Kpove того, сказывается разброс прямою падения напряжения на диодах. В некоторой степени влияние этих причин можно уменьшить, если применить сднополупернодное вы­прямление (рис. 8.4,6). Постоянный уровень на выходе интеграль­ной микросхемы можно скомпенсировать подстройкой сопротивле­ния резистора R2 или балансировкой ОУ (см. гл. 1). Детекторы работают на частотах не выше 10 кГц.

Рис. 8.3

Рис. 8.4

 

Детектор с ограниченной полосой частот. Схема детектора (рис. 8.5) обеспечивает детектирование сигналов с малой амплиту­дой в частотном диапазоне от 3 до 15 кГц. По постоянному току ОУ имеет коэффициент усиления, равный 2, а по переменному сигналу — 100. Полоса пропускания ОУ ограничена емкостью кон­денсаторов С1 и С2, что способствует уменьшению шумового сиг­нала на выходе. Кроме того, из-за малого усиления по постоянному току снижены температурные и временные дрейфы ОУ.

Двухполупериодный детектор. Детектирование осуществляется детектором на ОУ DAJ, который разделяет положительные и отри­цательные полуволны входного сигнала (рис. 8.6). Поскольку со­противления открытых диодов разные, то необходим подбор рези­стора R3, которым добиваются равенства сигналов на входах уси­лителя DA2. Второй усилитель объединяет полуволны входного сиг­нала и усиливает их в 10 раз. На выходе схемы присутствует сигнал положительной полярности. Схема осуществляет детектиро­вание сигналов от 10 мВ при 1 В на выходе. Чувствительность де­тектора можно повысить, если увеличить коэффициент усиления обоих усилителей, однако при этом уменьшается верхняя граничная частота детектора. Частотный диапазон детектора определяется ча­стотными свойствами используемых ОУ. Интегральные микросхемы К140УД1 позволяют получить граничную частоту свыше 1 МГц, а микросхема К153УД1 — 100 кГц.

Рис. 8.5 Рис. 8.6

 

 

ДЕТЕКТОРЫ ВЧ СИГНАЛОВ

 

Линейный детектор. В основу детектора (рис. 8.7, а) поло­жена микросхема К122УД1. Нагрузкой этой микросхемы являются два транзистора, которые работают на общий сглаживающий фильтр f$3, C2. При наличии входного сигнала транзисторы VT1 и VT2 поочередно открываются. Детектор работает в широком диапазо­не частот. Выходная характеристика (рис. 87,6) снята на часто­те 100 кГц.

Детектор с АРУ. Схема (рис. 8.8, а), построенная на интеграль­ной микросхеме К224ЖАЗ, предназначена для детектирования AM-сигналов промежуточной частоты и усиления напряжения АРУ На вход интегральной микросхемы подается сигнал с последнего ка­скада УПЧ. Сигнал УПЧ детектируется первым транзистором мик­росхемы и с его коллектора через разделительный конденсатор СЗ поступает на регулятор громкости R2. С вывода 5 снимается сиг­нал АРУ. Для фильтрации составляющих ПЧ включен конденсатор С2. Неусиленный сигнал АРУ после каскада детектора формирует­ся на конденсаторе С1. Максимальный сигнал АРУ после усиления вторым транзистором микросхемы формируется на конденсаторе С2. Максимальный сигнал АРУ практически равен питающему напря­жению. Технические характеристики детектора проиллюстрированы графиками рис. 8.8, б.

Рис. 8.7

Рис. 8.8

 

ДЕТЕКТОРЫ С ОУ

 

Детектор с удвоителем. Для детектирования AM сигнала в схеме (рис. 8.9, а) применен удвоитель напряжения на диодах Ког­да на входе отрицательная полуволна, происходит заряд конденса­тора С1 через диод VD1. При смене полярности входного сигнала конденсатор С1 разряжается через диод VD2. На конденсаторе С2 будет двойная амплитуда входного сигнала. Постоянная составляю­щая на выходе схемы зависит от коэффициента усиления ОУ K_y.u = l + (R₂/R₁). При малых сигналах на входе схема проявляет пороговые свойства. Порог открывания меняется в зависимости от коэффициента усиления ОУ. Переходные характеристики детектора при различных R1 приведены на рис. 8.9,6, а зависимость напря­жения порога U_п от K_у.и — на рис. 8.9, в.

Детектор с ОС по постоянному току. В схеме детектора (рис. 8.10, а) применена следящая ООС. Когда на входе положи­тельная полярность входного сигнала, ОУ быстро заряжает кон­денсатор С через диод VD2. Напряжение на конденсаторе отсле­живает уровень входного сигнала через резистор R1 При уменьше­нии уровня входного сигнала ОУ мгновенно переключается по­скольку напряжение на конденсаторе сохраняет максимальное зна­чение. Конденсатор разряжается через резистор R1 и диод VD1 Скорость разряда конденсатора определяется уровнем входного сигнала.

Выходной сигнал детектора зависит от отношения сопротив­лений резисторов R1 и R2. Для каждого значения этого отношения необходимо подбирать сопротивление резистора R3, чтобы исклю­чить постоянный уровень на выходе, вызванный разбалансом ОУ. На рис. 8.10,6 приведены передаточные- характеристики детектора для различных сопротивлений R2.

Рис. 8.9

Рис. 8.10 Рис. 811

 

Детектор с интегратором. Схема преобразования переменного напряжения в постоянное состоит из двух ОУ (рис. 8.11): первый выполняет функции детектора, а второй — интегратора. На­пряжение, получаемое в точке соединения VDI и R4, содер­жит положительные полувол­ны входного сигнала. Этот сигнал суммируется с проти­вофазным входным сигналом. На входе ОУ DA2 будет сиг­нал положительной полярно­сти с амплитудой, равной 1/3 от амплитуды сигнала, дейст­вующего на входе. Аналогич­ная амплитуда будет форми­роваться от положительной полярности входного сигнала. В результате на выходе ОУ DA2 по­лучается постоянное напряжение, пропорциональное входному пе­ременному напряжению. Линейчость преобразования достигается выбором сопротивлений резисторов из условия R1 = 2R3, Rl = R7. В настроенной схеме динамический диапазон преобразования вход­ного сигнала находится в пределах от 10 мВ до 1,5 В с погрешно­стью не более 1,5%; частота входного сигнала в пределах от 0 до 100 кГц.

Рис 8.12 Рис. 8.13

Пиковый детектор на ОУ с запоминанием. Входной сигнал де­тектора (рис. 8.12) через ОУ DA1 заряжает конденсатор С. Посто­янное напряжение на конденсаторе через ООС подается на второй вход ОУ DAL Эта связь действует через ОУ DA2. На конденсато­ре устанавливается максимальное значение входного сигнала. Это напряжение может продолжительное время оставаться на конденса­торе. С приходом положительного импульса по цепи управления происходит разряд кэнденсатора. После этого конденсатор может вновь запомнить максимальное значение выпрямленного напряжения входного сигнала.

Пик-детектор с ООС. Входной сигнал схемы (рис. 8.13) посту­пает на ОУ DA1, который усиливает его в 10 раз. Выходной сигнал ОУ DAJ через транзистор VT1 заряжает накопительный конденса­тор С. По мере увеличения напряжения на конденсаторе увеличи­вается напряжение ОС на инвертирующем входе интегральной мик­росхемы DA2. В результате напряжение ОС будет равно амплитуде сигнала на выходе микросхемы DA1. Это напряжение может сохра­няться продолжительное время. Для сброса напряжения конденса­тора необходимо открыть полевой транзистор при нулевом входном сигнале.