книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

сигнал пропустить через нелинейную цепь с квадратичной характери­ стикой i = aU\, то исходный сигнал также выделяется.

Однако при этом наряду с полезным сигналом появляются его высокочастотные гармоники. Поскольку

UAT& (t) = U0 sin &0t [1 + m s i n Qt],

то

[ 1 — cos 2co0£] [ J - f 2m sin Qt + m2 s i n 2 Qt]. (274)

Из этого выражения видно, что при детектировании не только произошло выделение полезного сигнала mU% sin Qt, но и появилась

Рис. 117.

квадратичном детектировании, наряду со вторыми гармониками исходных составляющих, появятся комбинационные составляющие (в результате их взаимного перемножения) и выделенный сигнал окажется в большей или меньшей степени искаженным. Для умень­ шения искажений применяют различные методы линеаризации не­ линейных элементов. В частности, в A M детекторах на диодах (рис. 117, а) используют большие сигналы (1—3 в), вследствие чего получается практически линейное детектирование с малым иска­ жением исходного сигнала.

Следует отметить, что детектирование балансно-модулированных и однополосных A M сигналов с помощью нелинейных элементов практически невозможно. Например, подав балансно-модулиро- ванный сигнал на квадратичный детектор, исходный сигнал не вы­ делим

220

§69. Детектирование частотно-модулированных

ифазово-модулированных сигналов

Детектирование ЧМ сигналов обычно осуществляется путем пре­ образования ЧМ сигнала в A M сигнал, который детектируется далее обычным способом. При синусоидальной модуляции частотно-моду­ лированный сигнал

t / 4 M (t) = U0 cos [со</ + т sin Qt].

Для преобразования ЧМ в A M сигнал необходимо преобразовать изменение частоты в пропорциональное ей изменение напряжения. Это может быть достигнуто, если амплитудно-частотная характе­ ристика преобразователя будет линейно зависеть от частоты К (со) = = Аа> или, что практически аналогично, преобразователь будет дифференцировать ЧМ сигнал. Действительно

исходного сигнала. Произведем затем амплитудное детектирование обычным способом или с помощью синхронного детектора (при этом

стоянной и высокочастотных составляющих получим исходный сигнал

U2 (t) —kU0 cos Qt,

где к = const.

На практике в качестве преобразователя ЧМ в A M сигнал обычно используется колебательный контур, несколько расстроенный отно­ сительно несущей частоты со0 . При этом ЧМ сигнал попадает на склон частотной характеристики, где К (со) « * 4 с о (рис. 117, б).

Детектирование ЧИМ сигналов осуществляется подобным образом.

Для детектирования ФМ сигналов применяются обычно синхрон­ ные детекторы или частотные детекторы с интеграторами на выходе. При этом на один вход подается ФМ сигнал, а на другой — сигнал немодулированной несущей.Только в этом случае может быть произ­ ведено практически не искажающее детектирование. Для детекти­ рования ФИМ (ВИМ) сигналов необходимо подавать от генератора несущих импульсов опорный немодулировэнный сигнал, с которым в синхронном детекторе производится сравнение модулированного сигнала.

221

Наиболее просто осуществляется детектирование импульсов, модулированных по ширине (ШИМ или ДИМ): для выделения исход­ ного сигнала ШИМ импульсы достаточно подать на интегратор (в простейшем случае LC или RC фильтр нижних частот).

хронного детектора.

Глава XVII

МОДУЛЯЦИОННЫЕ, ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Для усиления сигналов малого уровня на инфразвуковых часто­ тах широко применяются модуляционные, параметрические и авто­ генераторные усилители. Особенностью работы этих усилителей является перенос спектра низкочастотного сигнала в область высоких частот. Это позволяет избежать наложения интенсивных низкоча­ стотных шумов усилителя на усиливаемый сигнал. В модуляционных усилителях на входе ставится параметрический амплитудный моду­ лятор, линейно преобразующий спектр входного сигнала. При этом в модуляторе усиления сигнала не происходит. В параметрических усилителях наряду с преобразованием спектра происходит и усиление преобразованного сигнала. В автогенераторных усилителях входной низкочастотный сигнал изменяет частоту или фазу генерируемых высокочастотных колебаний.

§ 70. Модуляционные усилители

Функциональная схема модуляционного усилителя приведена на рие. 118, а. Входной низкочастотный сигнал поступает на пара­ метрический модулятор, где преобразуется в пульсирующее или переменное (в зависимости от конструкции модулятора) напряжение. Это напряжение усиливается усилителем переменного тока (обыч­ ным, резистивным или резонансным), после чего производится син­ хронное детектирование. В простейшем случае модулятор и детектор могут быть выполнены в виде одного реле (рис. 118, б) с двумя парами

222

ного напряжения: во включенном состоянии между эмиттером и кол­

223

остаточное напряжение в единицы микровольт и собственные шумы в десятые доли микровольта.

Модуляторы на биполярных транзисторах обычно применяют в тех случаях, когда сопротивление источника сигнала не превышает единиц килоомов. Если сопротивление источника сигнала составляет десятки — сотни килоомов, то применяются модуляторы на полевых транзисторах и фоторезисторах. Для преобразования сигналов от источников с внутренним сопротивлением выше нескольких мегаомов, используются контактные модуляторы и модуляторы на вари­ капах. Применение механически или электрически управляемых варикапов и управляемых индуктивностей позволяет создавать модуляторы, усиливающие мощность преобразуемого сигнала прак­ тически без увеличения шумов.

§ 7 1 . Параметрические усилители

Рассмотренные выше модуляторы в итоге являются управляемыми тем или иным способом сопротивлениями и генерируют тепловые, дробовые и мерцательные шумы. В варикапах процесс модуляции (изменения величины емкости) не сопровождается перемещением электрических зарядов, поэтому дробовые шумы практически отсут­ ствуют, а тепловые и мерцательные шумы весьма малы.

На основе варикапов выполняют усилители-модуляторы и пара­ метрические усилители. В усилителе-модуляторе варикап исполь­ зуется как управляемый реактивный элемент в цепи переменного тока. Поскольку на изменение емкости варикапа затрачивается мощность, значительно меньшая мощности, переносимой протека­ ющим через него переменным током, происходит усиление управля­ ющего сигнала по мощности и по току.

В параметрических усилителях варикап является элементом резонансного контура с высокой добротностью. Вследствие этого энергия, затрачиваемая на управление емкостью варикапа, пере­ дается колебательному контуру и даже может накапливаться в нем, что приводит к увеличению амплитуды колебаний. При определен­ ных условиях возможен переход работы параметрического контура

вавтоколебательный режим.

Вкачестве варикапов наиболее широко применяются кремниевые

где С0 — емкость при внешнем напряжении, равном нулю; Ux — внешнее напряжение, приложенное к варикапу;

Ф — контактная разность потенциалов на п — р переходе;

224

n = 0,3 4- 0,5 — постоянная, определяемая конструкцией ва­ рикапа.

Формула применима при: a) Us < ф — для прямой полярности приложенного напряжения и б) обратном напряжении, меньшем напряжения пробоя.

На рис. 119, а приведена схема балансного усилителя-модуля­ тора. При отсутствии входного сигнала мост CI, С2, Rl, R2 сбалан­ сирован и выходное напряжение равно нулю. Напряжение входного

модуляторов по постоянному току очень велико, оно определяется током утечки запертых обратным напряжением п — р переходов и может достигать 1 0 1 0 — 1 0 1 2 ом. Входное сопротивление по пере­ менному току определяется частотой входного сигнала, величиной емкости варикапов, емкости фильтра Сф, разделительной емкости Сн и сопротивлением нагрузки.

Если вместо CHRH использовать последовательный LC контур, настроенный на частоту питающего тока со0 , то можно за счет резо­ нанса напряжений резко увеличить величину выходного напря­ жения.

Итак, в отличие от модуляторов на транзисторах, фоторезисторах и т. д., являющихся в итоге просто прерывателями сигнала, модуля­ торы на варикапах являются усилителями и регулируют поток мощности в цепи источника питания.

В общем случае на входе усилителя-модулятора действует слож­ ный полигармонический сигнал V\ (t). Поэтому напряжение на варикапе является суммой напряжения смещения, напряжения питания и напряжения входного сигнала

U s = - Есм + U1 (0 + U0 sin о у .

При этом емкость варикапа изменяется по очень сложному закону

питания перемножаются и возникает бесчисленное множество комби­ национных составляющих. Даже если входной сигнал синусоидаль­

ходит перераспределение энергии источника питания между комби­ национными составляющими и мощность некоторых из них стано­ вится во много раз больше мощности входного сигнала. Применяя LC фильтр, настроенный на одну из этих составляющих, можно получить усиленный и преобразованный по частоте сигнал.

§ 72. Автогенераторные усилители

На основе варикапов выполняются разнообразные автогенера торные усилители, отличающиеся простотой конструкции, высокой надежностью, высоким входным сопротивлением и малыми собствен­

С2 и катушки индуктивности Ы, L2 образуют колебательный контур генератора. Изменение величины входного сигнала приводит к изме­ нению емкостей варикапов и, следовательно, к изменению генери­ руемой частоты, т. е. к частотной модуляции. Сигнал на выходе частотного детектора пропорционален величине входного сигнала, а его мощность определяется мощностью генератора. В принципе генератор может быть выполнен на одном транзисторе. При этом максимальный коэффициент усиления по напряжению может дохо­ дить до 104 , а коэффициент усиления по мощности может превы­ шать 10 1 2 при входном сопротивлении не менее 10е ом.

Автогенераторные усилители могут работать в режиме фазовой модуляции (рис. 120, б). При этом существенно увеличивается ста­ бильность работы и коэффициент усиления может быть как угодно велик. Недостатком рассмотренных усилителей является сравни­ тельно большая нелинейность и невысокая стабильность работы:

226

при изменении температуры необходимо осуществлять подстройку начальной частоты (для первой схемы) и начальной фазы (для второй схемы). Поэтому автогенераторные усилители обычно выполняются по автокомпенсационной схеме. В частности, на рис. 120, в приведена схема автокомпенсационного усилителя с глубокой отрицательной

впараметрический контур b\ J c "

дает усиления по напряжению, но усиление по току и мощности могут быть сколь угодно велики. При этом усилитель обладает чрезвычайно высокой стабильностью работы и большим динами­ ческим диапазоном — от долей милливольта до единиц вольт.

Упражнения к главе X V I I

1.Почему балансный усилитель-модулятор (см. рис. 119) не дает усиления по напряжению?

2.Почему автогенераторные усилители с фазовой модуляцией более ста­ бильны, чем с частотной модуляцией?

3.Можно ли модуляционный усилитель (см. рис. 118) выполнить по автоком­ пенсационной схеме?

4. По какому принципу должен работать усплптель, предназначенный для высококачественного усиления импульсных напряжений с амплитудами в доли микровольта и длительностью в десятки секунд?

Глава XVIII

ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СПЕКТРАМИ

Врадиоэлектронной аппаратуре широко используются линейные

инелинейные формирующие устройства, позволяющие преобразо­ вывать форму (спектр) электрических сигналов. Линейные форми­

рующие устройства производят линейные операции над сигналами: дифференцируют и интегрируют, ослабляют одни составляющие и усиливают другие, инвертируют фазы отдельных составляющих, суммируют (с одинаковыми или разными знаками) сигналы и т. д. При этом форма (спектр) преобразованного сигнала вполне одно­ значно определяется формой исходного сигнала и характером производимых операций.

Нелинейные формирующие устройства осуществляют нелиней­ ные ( И В большинстве случаев, необратимые) преобразования, вслед­

рующих устройств: практически неисчерпаемые формирующие свой­ ства влекут за собой почти полную утрату информации, переносимой спектром входного сигнала. Единственный информационный пара­ метр входного сигнала, который не утрачивается при нелинейных преобразованиях формы — момент появления (прекращения) сигнала или моменты достижения входным сигналом заданного уровня, например моменты перехода через нулевое или максималь­ ное значение. Поэтому нелинейные формирующие схемы исполь­ зуются в тех устройствах, где форма сигнала заранее известна или знание ее не дает каких-либо дополнительных сведений о сигнале, а информация переносится моментами появления сигнала или самим фактом его наличия или отсутствия на входе.

§ 73. Линейные преобразования сигналов

Рассмотрим дифференцирование сигналов. Пусть задан произ­

228

Так как сигнал имеет конечную длительность, х (t) = О при t =

=± ° ° , поэтому

Таким образом, спектр дифференцированного сигнала равен

Как показано в главе I I , спектр сигнала на выходе линейной системы равен сиектру входного сигнала, умноженному на ком­ плексный коэффициент передачи:

усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, имеет коэф­ фициент передачи

- i f -

Поэтому коэффициент передачи схемы, приведенной на рис. 121, а,

Дифференцирование выполняется тем точнее, чем больше коэф­ фициент усиления операционного усилителя.

Рассмотрим процесс интегрирования. Если исходный сигнал х (t), то спектр проинтегрированного сигнала

t

y(t)= J x{x)dx -со

229