22.2. Перемножители аналоговых сигналов (пас)

В качестве нелинейного элемента в преобразователях спектров применяют диоды, транзисторы, элементы с нелинейной емкостью, а также функциональные узлы, распространенным примером которых является перемножитель напряжений. Перемножитель напряжений u₁ (t) и u₂ (t) (рис. 22.3) осуществляет преобразование вида:

u_вых (t) = k u₁ (t) u₂ (t). (22.2)

Для осуществления операции перемножения были разработаны и запущены в серийное производство специализированные интегральные микросхемы-перемножители аналоговых сигналов (ИМС ПАС). Они должны обеспечивать точное перемножение сигналов в широком динамическом диапазоне их изменения и в возможно более широком частотном диапазоне.

В современных ПАС наиболее часто операция умножения осуществляется способом переменной крутизны. Эффект перемножения достигается за счет того, что одно из колебаний, например, u₁ (t) = U₁ cos ω₁ t , подлежащих перемножению, подается на активный элемент таким образом (вход опорного напряжения, гетеродинный вход), чтобы под его воздействием менялась крутизна передаточной характеристики этого элемента:

S(t) = k₁ u₁ (t) = k₁ U₁ cos ω₁ t = S cos ω₁ t . (22.3)

При этом выходной ток i_вых (t) перемножителя равен произведению напряжения на сигнальном входе u₂ (t) = U₂ (t) cos ω₂ t на переменную крутизну S(t):

i_вых (t) = S(t) u₂ (t) = k S U₂ (t) cos ω₁ t cos ω₂ t . (22.4)

С помощью фильтра Ф осуществляется выделение из спектра выходного тока i_вых (t) нужной (нужных) спектральной составляющей в виде пропорционального им напряжения u_вых (t).

Таким образом, перемножитель аналоговых сигналов, дополненный линейным фильтром, также имеет структуру типового электронного аналогового звена (рис. 22.2).

ИМС ПАС весьма многочисленны: это, например, ана­логовые микро­схемы типа 140МА1А, Б, 174ПС1, 235ПС1, 525ПС1, 526ПС1, КР1005ПС1 и другие. На рис. 22.4 показана цоколевка ИМС 140МА1(А, Б), К140МА1А. Выводы 1, 7 служат для подключения двуполярного источника питания ± 12В; 2, 12 – для регулировки смещения; 3, 11 – инверсный и прямой входы сигнала; 4,10 – выводы регулировки усиления; 5, 9 – для подключения прямого и инверсного опорного сигнала (гетеродинный вход); 6, 8 – прямой и инверсный выходы.

В справочниках, содержащих сведения об этих ИМС, приводятся, как правило, рекомендуемые схемы подключения и типовые схемы на их основе.

Еще раз подчеркнем, что любое аналоговое электронное устройство, реализованное на основе нелинейных преобразований, сводится к структурной схеме типового электронного аналогового звена (рис. 22.2).

22.3. Параметрические явления в электронных цепях

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных аналоговых устройств, дадим краткие сведения о параметрических цепях и происходящих в них явлениях.

Цепи, в которых один из параметров R, L, C изменяется во времени R(t), L(t), C(t), называются параметрическими. В качестве практически безинерционных элементов цепи с изменяющимися во времени параметрами обычно используются резистивные (например, электронная лампа, полупроводниковый диод, транзистор) и реактивные (например, варикап, катушка с ферромагнитным сердечником) нелинейные элементы.

Параметрические цепи делят на линейные и нелинейные. В линейных параметрических цепях параметры элементов не зависят от напряжений, а являются только функциями времени. Линейные параметрические цепи описываются линейными дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами. Например, в случае системы второго порядка уравнение имеет вид

. (22.5)

Здесь коэффициенты a и b, выражаемые через параметры цепи R, L, C, зависят только от времени.

Нелинейная параметрическая цепь второго порядка описывается нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами:

. (22.6)

В этом уравнении коэффициенты a и b зависят не только от времени, но и от уровня колебаний тока или напряжения в системе х.

На базе параметрических цепей создаются параметрические генераторы, усилители, преобразователи частоты, модуляторы, детекторы.

Параметрическая генерация и усиление, например, обусловлены тем, что при модуляции реактивного сопротивления колебательного контура при определенном соотношении частоты модуляции и резонансной частоты в контур вносится энергия, компенсирующая потери. Процесс внесения энергии в параметрическую цепь называется накачкой энергии. Это эквивалентно внесению в контур отрицательного сопротивления, которое уменьшает омическое сопротивление контура. Если результирующее сопротивление контура становится отрицательным, то есть вносимая энергия превышает энергию потерь, то начальная амплитуда колебаний, обусловленных наличием флуктуаций, нарастает. В контуре возбуждаются колебания. Возбуждение колебаний путем модуляции реактивного параметра называется параметрическим возбуждением.

Если результирующее омическое сопротивление контура уменьшается вследствие внесения отрицательного сопротивления, но все же остается положительным, то добротность системы возрастает и контур может работать как усилитель. Усилители, в которых используется отрицательное сопротивление, создаваемое путем модуляции реактивного сопротивления, называются параметрическими усилителями. Параметрические усилители обладают низким уровнем собственных шумов и поэтому применяются для усиления слабых сигналов.

В зависимости от вида реактивного элемента, параметр которого модулируется, параметрические системы делятся на индуктивные, в которых модулируется индуктивность, и емкостные, в которых модулируется емкость. Накачка энергии в систему осуществляется изменением нелинейного реактивного параметра путем подачи на него напряжения накачки от внешнего источника. Иначе говоря, в любой параметрической системе присутствуют колебания с частотой накачки. Кроме частоты накачки, в параметрических системах существует одна, две или более рабочих частот, на которых работает данное устройство (усилитель, генератор, модулятор, и т.д.).

В общем случае процессы в параметрических системах описываются нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами. Общих методов точного решения этих уравнений не существует. В некоторых частных случаях решение возможно на основе использования уравнений Матье. Другой метод основывается на применении теоремы Менли и Роу.