6.7. Фазовое детектирование

Фазовым детектором называется устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух сравниваемых напряжений одной частоты.

Схема однополупериодного фазового детектора приведена на рисунке 6.16а.

а б в

г д е

а – схема; б – схема замещения; в –  = 0; г –  = 180⁰; д –  = 90⁰; е – передаточная характеристика детектора

Рисунок 6.16 – Однополупериодный фазовый детектор

Для работы фазового детектора необходимо дополнительное (опорное) напряжение, относительно фазы которого будет определяться отклонением фазы сигнала. Работа детектора. При входном напряжении (U_с = 0) и положительной волне синусоиды (U₀) диоды VD1 и VD2 открыты; токи через R₁ и R₂ протекают в противоположном направлении и выходное напряжение, равное их сумме, равно нулю (рисунок 6.16б). При входном напряжении, совпадающем по фазе с опорным (рисунок 6.16в), в верхнем плече (через VD1 будет протекать ток, обусловленный суммой двух напряжений (U_о + U_с), а в нижнем – их разницей (U_о – U_с), и выходное напряжение будет равно:

. (6.24)

При R₁ = R₂; U_вых = 2U_с . (6.25)

При отрицательной полуволне опорного напряжения VD1 и VD2 закрыты и выходное напряжение равно нулю. Если входное напряжение и опорное находятся в противофазе (рисунок 6.16г) (полярность напряжений на рисунке 6.16б. указана в скобках), то рассуждая аналогично, для выходного напряжения можно получить соотношение

. (6.26)

Если фазовый сдвиг равен 90⁰ (рисунок 6.16д), то среднее значение выходного напряжения равно нулю, так как в диапазоне углов от 0⁰ до 90⁰ опорного напряжения оно находится в противофазе с входным и выходное напряжение отрицательно, а в диапазоне углов от 90⁰ до 180⁰ – в фазе и входное напряжение положительно. В общем виде выражение для выходного напряжения при равенстве амплитуд опорного и сигнального имеет вид

. (6.27)

Если U_о > U_mc, то (6.17) приобретает вид

U_вых  2U_с cos  . (6.28)

Передаточная характеристика детектора приведена на рисунке 6.16е.

На рисунке 6.17 приведена схема двухполупериодного (кольцевого) фазового детектора.

Кольцевой фазовый детектор применяется в том случае, когда необходимо уменьшить пульсации выходного напряжения. Работа детектора состоит в следующем. При входном напряжении, равном нулю, и положительной полуволне опорного напряжения открыты диоды VD1 и VD3 (рисунок 6.17а – полярность напряжений без скобок и рисунок 6.17в), а VD2 и VD4 закрыты. Результирующий ток через R_н будет равен (рису- нок 6.17б). При отрицательной полуволне U₀ диоды VD1 и VD3 закрыты, а VD2 и VD4 – открыты, результирующий ток через R_н также равен нулю.

Когда U_с  0 и находится в фазе с опорным, для контура абвг по закону Кирхгофа можно записать:

U₀ + U_с = i_нR_н + R(i₀ + i_н), (6.29)

а для контура абвгдеа:

2U₀ = i₀2R + i_нR . (6.30)

а б

в г

а – принципиальная схема; б – эквивалентная схема для одного полупериода; в – схема для положительной полуволны Uo; г – схема для отрицательной полуволны Uo

Рисунок 6.17 – Кольцевой фазовый детектор

Из (6.19) и (6.20) при условии U₀ > U_с для тока нагрузки получим соотношение

I_н = 2U_с/(2R_н + R) . (6.31)

Остальные варианты фазовых соотношений для обоих полупериодов U₀ анализируются аналогично предыдущему.

В качестве коммутирующих элементов в детекторах взамен диодов могут быть использованы полевые и биполярные транзисторы.

В качестве фазового детектора может быть использован дифференциальный усилительный каскад (рисунок 3.30) при малых входных напряжениях.

U_с < U_т , (6.32)

где U_т = 25 ^. 10^-3В – тепловой потенциал транзистора.

При этом изменение коллекторного тока одного из транзисторов описывается соотношением

i_к = (I₀/4)(U_с/U_т) , (6.33)

где I₀ – величина тока источника тока в эмиттерной цепи транзисторов.

Если U_с =U_mc cos(t + ), а I₀ = I₀ = +I_mо cos t, т.е. входной сигнал подан на один из входов усилителя (второй вход заземлен), а опорное напряжение подано на базу транзистора генератора тока, но

i_к=1/4U_т(I₀+I_mocost) ^. U_mccos(t+)=

=1/4U_т(I₀+I_mocost)U_nc(costcos-sintsin), (6.34)

откуда приращение постоянной составляющей коллекторного тока равно:

i_к = 1/8U_тI_moU_mccos . (6.35)

Выходное напряжение для дифференциального каскада пропорционально разности приращений токов коллектора, т.е.

U_вых  i_к1 - i_к2 = 1/4U_тI_moU_mccos . (6.36)

Для устранения высокочастотных составляющих на выходе необходимо поставить фильтр нижних частот.