Фазовые детекторы. Принципы работы и схемы ФД

11 Фазовые детекторы

11.1 Определение, назначение, классификация и основные параметры ФД

Определение: ФД – устройство, которое осуществляет преобразование двух сравниваемых колебаний в напряжение, определяемое разностью фаз между этими колебаниями.

ФД применяют для: демодуляции, в качестве элементов системы ФАПЧ, в качестве следящих фильтров.

В общем случае ФД– шестиполюсник, имеющий 2 входа и 1 выход.

При этом на вход подаются два напряжения – сигнала и опоры. Относительно опорного напряжения и происходит отсчет фазы измеряемого колебания.

ФД является когерентными, строятся с использованием перемножителей и требуют опорного сигнала.

Классификация:

1.  по принципу действия – векторомерные, коммутаторные, перемножительные и цифровые.

Векторомерные–основаны на преобразовании векторных сумм вх. И опорного сигнала АД (т.е. амплитуда результирующего вектора зависит от разности фаз вх. И опорного сигналов).

Эти ФД м.б. простые, балансные, кольцевые.

Перемножительные–основаны на реализации перемножительной функции (1). Слагаемое с удвоенной частотой отфильтровывается в ФНЧ и на выходе выделяется постоянное напряжение (2).

Коммутаторные (ключевые)–основаны на использовании усилит. Приборов в ключевом режиме. В этом случае опорное напряжение обычно меандр. Который скачком меняет проводимость усилит. Прибора.

Цифровые–на основе цифровых устройств(счетчиков)или программно.

2.  по типу используемых перемножителей – диодные, транзисторные, на диф. Каскаде, аналоговые пермножит.

Параметры ФД:

1.  Коэфф. передачи (3) при заданном фаз. Сдвиге.

2.  Крутизна характеристики ФД (4).

3.  Входное и выходное сопротивление.

4.  Коэфф. нелинейных искажений (коэфф. гармоник).

5.  Степень фильтрации комбинационных составляющих.

11.2 Принципы работы и схемы ФД

11.2.1 ФД векторомерного типа

Схема небалансного ФД векторомерного типа показана на рис.11.1.

Рис.11.1.

Т.к. результирующее напряжение в этой схеме зависит от напряжения сигнала, то перед таким ФД обязательно стоит АО. На входе напряжение – результат сложения векторов сигнала и опоры (1).

Если Uвх<<Uоп, то (2). График его на рис.11.2.

Рис.11.2.

Если Uвх=~Uоп, то (3) и график будет рис.11.3.

Рис.11.3.

Таким образом, форма детекторной характеристики зависит от отношения входного и опорного напряжений и не меняет знака при изменении фазы сигнала (это не позволяет использовать такой ФД для демодуляции ФМн сигнала и в системах ФАПЧ).

Недостаток ещё – наличие постоянной составляющей на выходе и невысокие показатели линейности и крутизны.

11.2.2 Балансные векторомерные ФД

Большее распространение получили балансные ФД, не имеющие указанных недостатков. Структурная схема такого ФД на рис.11.4.

Рис.11.4.

Принципиальная схема показана на рис.11.5.

Рис. 11.5.

Здесь через нагрузку протекают встречные токи и напряжение на выходе равно разнице напряжений на резисторах. Получается результирующая детекторная характеристика на рис11.6.

Рис.11.6.

Если Uвх<<Uоп, то вид детекторной характеристики близок к косинусоиде, а максимальное значение выходного напряжения (4). Максимальная крутизна (при фазе ПИ/2) – (5).

Если Uвх=~Uоп, то детекторная характеристика становится наиболее линейна (рис11.6).

Если Uвх>>Uоп, то выходное напряжение (6), т.е. выходное напряжение не зависит от напряжения сигнала на входе.

Входные сопротивления такого ФД со стороны сигнал и опоры равны соответственно (7).

При работе ФД с малыми сигналами, входящие в него АД переходят в квадратичный режим, а ФД становится перемножительным. Если требуются более высокие характеристики по фильтрации комбинационных составляющих, то используют двойной балансный или кольцевой ФД.

Схема на рис.11.5 с пунктиром.

Здесь наличие диагональных диодов позволяет компенсировать четные гармоники входного сигнала. В связи с этим увеличивается подавление нежелательных продуктов нелинейного преобразования. Но Uвых в два раза меньше чем у простого балансного ФД.

11.2.3 Перемножительные ФД и ФД коммутаторного типа

Принцип действия коммутаторных основан на использовании усилительного прибора в ключевом режиме. Структурная схема может быть представлена на рис.11.7.

Рис.11.7.

Различают коммутаторные ФД с симметричными и несимметричными входами. При малых сигналах векторомерные ФД работают фактически как коммутаторные. ФД подобен ПЧ, где в качестве гетеродина (опоры) используется меандр и он может быть реализован, как и ПЧ, на диф каскаде.

Рис.11.8.

Работа такого ФД основана на распределении тока коллектора Т3, изменяющегося под действием опоры, между Т1 и Т2, на базу одного из них подается сигнал. Тогда на выходе напряжение будет пропорционально разности постоянных состовляющмх коллекторных токов Т1 и Т2. С1, C2 и R1, R2 образуют ФНЧ с пост. Времени >> периода входного сигнала.

Детекторная харкт. Такого ФД близка к синусоиде.

При Rн>>Ri коэфф. передачи (1).

11.2.4 ФД на цифровых логических элементах

Схема ФД на элементе «И» приведена на рис.11.9.

Рис.11.9.

Входное и опорное напряжение преобразуется в импульсы, временное положение которых определяет фазовый сдвиг между ними. Временные диаграммы работы приведены на рис.11.10. На рис.11.11 приведена детекторная характеристика такого цифрового ФД.

Рис.11.10.

Рис.11.11.