Экономичные транзисторные детекторы АМ и ЧМ сигналов без источников питания
к.т.н., доцент УТОЧКИН Геннадий Васильевич
к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович
(ООО "Технический центр ЖАиС")
I. Детекторы амплитудно-модулированных сигналов.
Принципиальная схема простейшего АМ детектора на одном транзисторе приведена на рис.1.
Входной амплитудно-модулированный сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на эмиттер транзистора VT1 который через резистор R1 соединен с общей шиной. В базовую цепь транзистора включены резистор R2 и конденсатор C2, являющийся блокировочным по частоте входного сигнала. В коллекторную цепь транзистора включены нагрузочные резистор R3 и конденсатор C3. Таким образом, в схеме рис.1 по входному сигналу имеем каскад с общей базой.
При отрицательной полуволне входного сигнала, превышающей порог отпирания базо-эмиттерного перехода транзистора VT на базе выделяется постоянная составляющая или напряжение огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала, т.е. происходит детектирование входного сигнала. Протекающий при детектировании ток базы транзистора создает на резисторе R2 напряжение, при котором напряжение коллектор-база Uкб VT становится положительным и он открывается, т.е. переходит в активный режим (в принципе, кремниевый транзистор работает в активном режиме при Uкб=0 или даже если напряжение на коллекторе на 0,3...0,4 В меньше напряжения на базе). В результате увеличивается ток коллектора и возникает напряжение на резисторе нагрузки R3, при этом из-за усилительных способностей транзистора напряжение на нагрузке по абсолютной величине больше, чем напряжение на базе (несмотря на то, что сопротивление резистора нагрузки R3 в несколько раз меньше базового резистора R2). Для n-p-n транзистора оба напряжения отрицательны.
На рис.2 приведены графики зависимости выходного напряжения и тока нагрузки от величины входного напряжения немодулированного высокочастотного сигнала на частоте 12 МГц для транзистора КТ368А.
Из графиков рис.2 видно, что зависимость выходного напряжения Uвых= и тока нагрузки Iн от входного высокочастотного напряжения линейна, причем порог линейного детектирования для транзистора КТ368А составляет 0,55В при Iн=50 мкА.
Порог детектирования Uвх min для различных типов кремниевых транзисторов колеблется в пределах 0,4...0,48 В (при токе нагрузки 5 мкА), а также зависит от частоты входного сигнала. Зависимость минимального напряжения входного сигнала Uвх min для транзистора КТ368А при Iн=5 мкА приведена на рис.3.
Как видно из приведенного графика, зависимость Uвх minот частоты имеет резонансный характер. На частоте 370 МГц минимальное входное напряжение составляет всего 90 мВ. Это объясняется тем, что входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОБ имеет индуктивный характер, причем на частотах f>>fs, где fs - граничная частота по крутизне. Входная индуктивность транзистора Lвх определяется по следующей приближенной формуле: Lвх≈ rэ/(2пfs) = rб/(2пfт), где rэ - сопротивление эмиттерного перехода, rб - сопротивление базы, fт - частота единичного усиления.
На частоте последовательного резонанса Lвх и активной составляющей емкости коллекторного перехода Ск1 напряжение на эмиттерно-базовом переходе транзистора возрастает, чем объясняется резкое уменьшение порога детектирования.
При это входное сопротивление транзисторного детектора уменьшается с величины, определяемой в основном сопротивлением R1, до нескольких десятков Ом, определяемом сопротивлением последовательного резонансного контура LвхCк1. Так как частота fт зависит от типа транзистора и тока коллектора, то частота последовательного резонанса и минимальное напряжение детектирования зависят от величины входного напряжения и типа транзистора. Таким образом, транзисторный амплитудный детектор без источника питания обладает ярко выраженной активной частотной селекцией по минимальному напряжению детектирования.
Недостатком простейшего транзисторного амплитудного детектора является повышенные нелинейные искажения огибающей амплитудно-модулированного сигнала при больших амплитудах входных сигналов. Этот недостаток может быть устранен некоторым изменением схемы детектора.
На рис.4 приведена схема амплитудного детектора с пониженным уровнем нелинейных искажений.
В этой схеме, в отличии от детектора рис.1, между базой и коллектором транзистора включен конденсатор большой емкости С2, напряжение на котором почти не изменяется за
период частоты модуляции. Этот конденсатор заряжается разницей напряжений на коллекторе и базе транзистора до величины 0,3…0,4 В. В момент действия отрицательной полуволны огибающей амплитудно-модулированного сигнала при отсутствии конденсатора С2 произошла бы отсечка этой полуволны огибающей за счет достижения порога детектирования и запирания базо-эмиттерного перехода транзистора. Это привело бы к отсечке базового тока и значительным нелинейным искажениям. При наличии конденсатора С2 при отрицательных полуволнах огибающей снижается отрицательный потенциал на коллекторе транзистора за счет его подзапирания и уменьшения падения напряжения на нагрузочном резисторе R3. В результате накопленное напряжение на конденсаторе С2 приоткрывает транзистор (т.к. напряжение на конденсаторе С2 прикладывается в положительной полярности между общей шиной и базой транзистора.). Это приводит как бы к смещению характеристик передачи транзистора вправо и к предотвращению отсечки, а следовательно, и к уменьшению нелинейных искажений.
Таким образом, транзистор в схеме рис.4 можно рассматривать как каскад со 100%-ой отрицательной обратной связью по огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала (причем отрицательная обратная связь осуществляется через конденсатор С2). Данная параллельная ООС по выходу уменьшает выходное сопротивление детектора, что положительно сказывается на нагрузочной способности детектора. В частности, в нем не возникают нелинейные искажения за счет разности нагрузок по постоянному и переменному току.
Еще более улучшить основные параметры амплитудного детектора без источника питания позволяет введение в схему второго транзистора другой структуры. Схема такого детектора, впервые предложенного в [1], приведена на рис.5.
Такой детектор работает следующим образом.
Входной АМ сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 разной структуры. При положительной полуволне входного сигнала открывается первый транзистор VT1, а при отрицательной – VT2. Для малых входных сигналов, соответствующих началу отпирания p-n переходов транзисторов, транзистор VT1 можно считать включенным по схеме диода, т.к. его коллектор соединен с общей шиной через резистор R1, имеющий небольшое сопротивление ( в принципе он может отсутствовать), а база соединена с общей шиной через последовательно соединенные резисторы R2 и R4. Положительная полуволна входного сигнала открывает транзистор VT1 и заряжает входной разделительный конденсатор С1 до напряжения, несколько меньшего своего амплитудного значения. При отрицательной полуволне входного сигнала напряжение на входном разделительном конденсаторе суммируется с входным напряжением и открывает базо-эмиттерный переход транзистора VT2. На базе транзистора VT2 выделяется напряжение огибающей входного АМ сигнала, т.е. происходит детектирование. При этом транзистор VT1 и базо-эмиттерный переход транзистора VT2 совместно с входным конденсатором С1 и RC-фильтром нагрузки R4C4 образуют детектор по схеме удвоения напряжения.
Аналогичный амплитудный детектор на диодах обладает повышенным коэффициентом передачи, однако имеет высокий порог детектирования, низкое входное сопротивление и значительные нелинейные искажения при больших глубинах модуляции. Эти недостатки в значительной степени уменьшены благодаря включению вместо диодов транзисторов. Несмотря на то, что на транзисторы VT1 и VT2 не подается напряжение питания, оба транзистора в определенные моменты действия входного сигнала работают в активном режиме, т.е. обладают усилительными свойствами.
В рассматриваемой схеме детектора уменьшен порог детектирования по сравнению со схемой детектора рис.4 за счет связи коллектора транзистора VT2 с базой транзистора VT1 через фильтр нижних частот R2C2. В момент действия отрицательных полуволн входного высокочастотного напряжения на конденсаторе С4 фильтра нагрузки возникает отрицательный потенциал напряжения, который через резистор R2 фильтра нижних частот заряжает конденсатор С2 этого фильтра (емкость этого конденсатора выбирают из тех же условий, что и конденсатора RC фильтра нагрузки С4) до отрицательного напряжения, которое для транзистора VT1 является отпирающим. В результате уменьшается пороговое напряжение транзистора VT1 при действии на входе положительных полуволн входного сигнала и заряде конденсатора С1. Это приводит к снижению порога линейного детектирования с 0,6 В до 0,32 В при применении кремниевых транзисторов, что, в свою очередь, дополнительно уменьшает нелинейные искажения при детектировании малых сигналов. Применение в схеме конденсатора С3, образующего параллельную ООС по частоте модуляции как и в схеме рис.4, приводит к уменьшению нелинейных искажений при больших глубинах модуляции.
При больших амплитудах входного сигнала увеличивается отрицательное напряжение на базе транзистора VT1, поэтому он может оказаться в режиме насыщения. Падение напряжения на резисторе R1, включенном в коллекторную цепь VT1, приближает напряжение на коллекторе VT1 к напряжению на его базе и препятствует его насыщению, что уменьшает нелинейные искажения при больших входных сигналах. Кроме того, включение резистора R1 служит для увеличения входного сопротивления детектора. Следует заметить, что в отличие от схемы детектора рис.4, где входное сопротивление во многом определяется резистором в эмиттерной цепи транзистора, в схеме рис.5 такой резистор отсутствует, поэтому входное сопротивление существенно выше.
Для иллюстрации изложенного на рис.6 приведены зависимости выходного постоянного напряжения Uвых=, тока нагрузки Iн и выходного напряжения модулирующего сигнала от входного высокочастотного напряжения детектора, выполненного по схеме рис.5 на транзисторах КТ343Б и КТ342В.
Из приведенных графиков видно, что по сравнению с однотранзисторным детектором в схеме рис.5 порог детектирования уменьшен с 0,55 до 0,3 В, а постоянное выпрямленное напряжение увеличено примерно в 2 раза. Кроме того, выходное напряжение модулирующего сигнала достигает удвоенной величины входного высокочастотного напряжения при нелинейных искажениях не более 1...2%. При этом уменьшение нелинейных искажений, повышение коэффициента передачи и улучшение нагрузочной способности достигается без использования источников питания, что упрощает, удешевляет, повышает экономичность и надежность детектора.
На рис.7 приведены зависимости выходного постоянного напряжения и минимального напряжения детектирования от частоты входного сигнала для детектора, выполненного на транзисторах КТ3126, КТ368. Сравнение графиков рис.7 и рис.3 показывает, что детектор по схеме рис.5 также обладает активной частотной селекцией по минимальному порогу детектирования. Поэтому все рассуждения, приведенные для схемы рис.1 справедливы и для двухтранзисторного детектора.
II. Детектор частотно-модулированных сигналов.
Принципиальная схема такого детектора приведена на рис.8.
Как и амплитудный детектор без источника питания, частотный детектор представляет собой транзисторный каскад с общей базой, на эмиттер которого подается входной высокочастотный сигнал через разделительный конденсатор С1. В эмиттерную цепь включены резистор смещения R1 и ограничительный диод VD (можно установить два параллельно встречно включенных диода). В базовую цепь транзистора включен параллельный колебательный контур L1C3, настроенный на частоту входного высокочастотного сигнала, а в коллекторную цепь - резистор нагрузки R3 и фильтрующий высокочастотный сигнал конденсатор С5. Смещение на базе транзистора осуществляется с помощью резистора R2 и параллельно включенного ему конденсатора С4. Цепочка R2C4 может быть подключена к коллектору, как показано на рис.8 или к общей шине. Однако в первом случае осуществляется отрицательная обратная связь по постоянному току и огибающей ЧМ-сигнала, что уменьшает нелинейные искажения и увеличивает стабильность детекторной характеристики.
При действии на входе детектора высокочастотного сигнала часть его, через емкость эмиттерно-базового перехода выделяется на колебательном контуре L1C3. Из-за высокой добротности контура напряжение на нем на резонансной частоте может быть больше величины входного сигнала, поэтому эмиттерно-базовый переход в определенные моменты может открываться при входном напряжении 200-300 мВ (т.е. порог детектирования может быть значительно меньше порогового напряжения базо-эмиттерного перехода кремниевого транзистора). Для уменьшения порога детектирования между базой и эмиттером может быть включен дополнительный конденсатор небольшой емкости (С2 на рис.8).
Таким образом, на эмиттере и базе транзистора детектора действуют два высокочастотных сигнала, причем в зависимости от расстройки частот сигнала и резонансной частоты контура L1C3 фазы этих сигналов оказываются различными согласно фазо-частотной характеристики колебательного контура.
Детектирование этих сигналов приводит к возникновению в коллекторной цепи транзистора тока, зависящего от расстройки на характерной кривой детекторной характеристики с нулевым значением на резонансной частоте, отрицательным значением при частоте сигнала, меньшей резонансной частоты контура и положительном - при большей частоте.
Следует отметить, что эта характеристика реализуется при отсутствии источника питания транзисторного ЧМ-детектора.
Экспериментально измеренные детекторные характеристики ЧМ-детектора (рис.8), выполненного на транзисторе КТ368А при различных напряжениях входного сигнала и резонансной частоте контура 20 МГц, приведены на рис.9.
Из графиков на рис.9 видно, что при небольшой величине входного напряжения до 0,5 В детекторные характеристики симметричны, линейны и проходят через нулевое значение выходного напряжения при резонансной частоте, что важно в системах автоматической подстройки частоты. Минимальное значение входного напряжения составляет 150-200 мВ. При больших значениях входного сигнала детекторная характеристика искажается и смещается влево. Это связано с насыщением транзистора при отрицательных расстройках и больших амплитудах входных сигналов. Для исключения такого режима работы детектора необходим ограничитель входных сигналов до уровня 0,5...0,7В. Протяженность линейного участка детекторной характеристики и его крутизна зависят от величины входного сигнала, а также от добротности колебательного контура. С увеличением амплитуды входного сигнала крутизна и протяженность линейного участка детекторной характеристики увеличиваются, что особенно заметно при небольших амплитудах входного сигнала. В случае необходимости увеличить длину линейного участка детекторной характеристики можно, подключив к колебательному контуру шунтирующий резистор. Однако при этом уменьшится крутизна характеристики и увеличится значение порогового напряжения детектирования.
На рис. 10 приведена зависимость выходного напряжения модулирующего сигнала от входного высокочастотного напряжения с центральной частотой 20 МГц и девиацией частоты 50 кГц при минимальных нелинейных искажениях.
Из графика рис.10 видно, что с помощью рассматриваемого детектора возможно качественное детектирование ЧМ сигнала с минимальным напряжением 150 мВ без использования источника питания.
[1] Уточкин Г.В., Гончаренко И.В. Амплитудный детектор. Авт. св. СССР №1672552., опубл. 23.08.91. Бюл. №31