Модуляторы и детекторы с переключаемыми конденсаторами

^С-модуляторы. При однополосной модуляции и в ряде других случаев требуется сформировать сигнал с подавленной несущей частотой. Модуляцию с подавленной несущей можно осуществить умножением управляющего сигнала г{Р) на несущий сигнал х (1) по схеме, изображенной на рис. 13.47, а.

В качестве несущего сигнала х (?) можно использовать биполярную последовательность импульсов прямоугольной формы (рис. 13.47, б), спектр которых содержит только нечетные гармоники. Поэтому при гармоническом управляющем сигнале г{Ь) = ZcosQ. t в спектре выходного сигнала у (б) будут присутствовать составляющие с частотами со + Зсо + С1, 5со + …, где со = 2п/Т, Т — период.

Рис. 13.47. Схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие принцип формирования модулированных колебаний следования импульсов. Если нормированную амплитуду прямоугольных импульсов принять равной единице, то операцию умножения можно реализовать с помощью управляемого ключа 5 (см. рис. 13.47, а). Временные диаграммы на рис. 13.47, б поясняют процесс формирования модулированного сигнала. В качестве примера рассмотрим два варианта схем модуляторов на переключаемых конденсаторах.

В изображенной на рис. 13.48, а схеме балансного модулятора используются:

• • усилитель с переключаемыми конденсаторами ОУ_р выполняющий функцию инвертора;
• • повторитель напряжения на ОУ₂, используемый в качестве буферного усилителя с большим входным и малым выходным сопротивлениями;
• • сглаживающий йС-фильтр.

В четной фазе (е) входной сигнал ?/_вх непосредственно поступает на ОУ₂. В этой фазе происходит также сброс инвертора и запоминание напряжения разбаланса усилителя ОУ, что необходимо для устранения влияния напряжения разбаланса на работу схемы. В нечетной фазе (о) сигнал [7_вх подается на вход усилителя ОУ₂ через инвертор, благодаря чему изменяется его знак.

Таким образом, на выходе ОУ₂ формируется напряжение в виде последовательности разнополярных импульсов у{1) (см. рис. 13.47, б).

На рис. 13.48, б приведена другая схема модулятора, включающая в себя демпфированный интегратор на ОУ, в цени обратной.

Рис. 13.48. Схемы модуляторов на переключаемых конденсаторах.

связи которого сопротивление имитируется с помощью переключаемых конденсаторов, и узел управления, состоящий из четырех транзисторов и инвертора.

Если ключ 5, замкнут в четной фазе (е), а 5₂ — в нечетной фазе (о), то усиление схемы по постоянному току составляетС,/С₂. При изменении положения ключей 5, и 5₂ усиление по постоянному току изменит знак. Требуемое управление обеспечивается путем подачи соответствующего напряжения? У_у па узел управления.

Рассмотрим возможности использования схем с переключаемыми конденсаторами для детектирования сигналов с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией.

Амплитудный детектор. Если в узел управления рассмотренной выше схемы модулятора (см. рис. 13.48, 6) добавить компаратор С, ключ 5_(> и триггер, то получим схему амплитудного детектора (АД) (рис. 13.49).

В основу принципа работы детектора положено изменение полярности входного напряжения, имеющего отрицательный знак. В этом случае, как следует из рис. 13.48, 6, последовательность импульсов у{1) преобразуется в г (?), т. е. выполняется операция, обратная модуляции. Для определения знака входного напряжения и_ю. служит компаратор С. Если м_вх > 0, то открыты транзисторы VI], УТ._Л и и_|1Х проходит на выход без изменения знака. Если же и_вх < О, то открыты транзисторы УТ₂ и У1. Усилитель ОУ работает в этом.

Рис. 13.49. Схема амплитудного детектора.

случае как инвертор, и напряжение на его выходе изменит знак. Таким образом, выходное напряжение и_вых будет пропорционально модулю входного напряжения |ы_вх|, т. е. будет восс танавливаться заложенный в модулированное колебание исходный сигнал 2(7). Для гарантии правильной работы АД на его вход подают дискретизированный сигнал.

Пиковый детектор. Схема детектора с переключаемыми конденсаторами (рис. 13.50, а) состоит из компаратора С конденсатора С₅, транзисторов УТ, УТ₂, выполняющих функцию ключей, и триггерной схемы для управления транзистором УТ,. В четной фазе е транзисторов ключ на УТ, замкнут, а на УТ, — разомкнут. Компаратор С сравнивает текущее значение входного напряжения м_вх(7_А) с напряжением ^м_ВЫх (Сл) предшествующей нечетной фазы. Если м_|1Х(7Д > и_вых(?*_,), то на выходе триггера формируется высокий потенциал, вследствие чего в следующей нечетной фазе о транзистор УТ, открывается и конденсатор С₅ заряжается до напряжения н_вх(^_м), поэтому выходное напряжение принимает значение м_вьв(^₊₁) = ««ДД.,) — Если же ^мвх (Д)^< «««(**-,)> транзистор КГ, сохраняет выключенное состояние и напряжение на конденсаторе м»_ых(^₊₁) не изменяется. Для сброса детектора может быть применен дополнительный ключ, включенный параллельно с конденсатором С₅.

Рис. 13.50. Схема пикового детектора (а) и временные диаграммы входного и выходного напряжений (б).

Таким образом, особенность пикового детектора состоит в том, что на его выходе формируется и поддерживается некоторое время напряжение, равное максимальному входному напряжению и (рис. 13.50, б).

Частотный детектор. На рис. 13.51 приведена схема детектора ЧМ-сигналов, содержащая два преобразователя частоты в ток П,(Е—?/), П₂(Е—?/) и фильтр на переключаемых конденсаторах. Каждый преобразователь Е—⁵>1 состоит из транзистора УТ, двух конденсаторов С_п, С_п" (п= 1, 2) и двухпозиционного ключа Я_п, коммутируемого с частотой /_вх входного сигнала {У_вх. Переключаемый конденсатор С_Кп имитирует сопротивление, величина которого обратно пропорциональна частоте/_вх, при этом С_К1 = С_ш. Переключаемый конденсатор С_Кп вместе с конденсатором С_п образует фильтр нижних частот, который ограничивает пульсации тока стока, вызванные переключением ключа. Ток стока транзистора УТ пропорционален емкости С_Кп и частоте /_вх переключения ключа. Ключ 5₃ переключается тактовыми импульсами с постоянной частотой /_ти. Выходной сглаживающий фильтр выполнен на конденсаторах С₃, С_ю.

Рис. 13.51. Схема частотного детектора.

На вход детектора поступает напряжение 11_вх, представляющее собой последовательность прямоугольных двуполярных импульсов, частота /_вх следования которых изменяется в пределах /_т._п — /_тах. Преобразователь П^Е—? /) выполняет функции детектора средней частоты переключения, т. е. несущей частоты /₀. Его емкость С₁ подобрана так, что ослабляет изменения частоты переключения, происходящие с частотой, превышающей нижнюю частоту /,. Другой преобразователь П₂(Е—? Г) имеет малую инерционность, и его выходной ток г₂ отслеживает мгновенные изменения частоты ЧМ-сигнала. Таким образом, ток I = г₂ — г, пропорционален мгновенному отклонению частоты ЧМ-сигнала от/₀. Переключаемый конденсатор С_ю имитирует сопротивление, на котором происходит падение напряжения 0_ВЫХ> пропорциональное току г. Емкость С₃ уменьшает пульсации выходного напряжения, вызванные переключением ключей 5₂ и 5₃.

Фазовый детектор. Рассмотрим схему простого дискретизирующего фазового детектора (рис. 13.52, а). Их различие заключается в способе управления ключом и функциях отдельных конденсаторов.

Рис. 13.52. Схема фазового детектора (а), временные диаграммы, поясняющие его работу (б), и фазовая характеристика (в).

Принцип работы детектора. Пусть на вход детектора поступает гармонический сигнал и_вх(1) = со? и ключ 5 переключается с той же частотой тактовыми импульсами (ТИ), сдвинутым относительно сигнала м_вх(?) на угол Дер = 2пЬ_к/Т(рис. 13.52, б). В течение времени? = 1_к — Т/2 + 1_к, когда ключ 5 находится в положении 1, конденсатор отслеживает сигнал и_вх(?), а конденсатор С., сохраняет переданное ему напряжение и_С2 = II_к, в предыдущей фазе. В следующей фазе (1_к — 1_к + Т/2) ключ 5 переходит в положение 2, и напряжение и_к, зафиксированное на С, в момент времени? = ?^, или отсчет, передается на обкладки конденсатора С₂. Следовательно, на выходе схемы формируется напряжение.

Конденсатор С₂ выполняет функцию накопительного элемента, сохраняя отсчет напряжения в течение всего периода до момента следующего переключения ключа из состояния 1 в состояние 2.

Особенности детектора. Статическая характеристика фазового детектора для рассматриваемого случая приведена на рис. 13.52,". Нетрудно убедиться, что в общем случае она имеет форму входного сигнала м_вх(?). Если сигнал м_вх(?) является пилообразным, его статическая фазовая характеристика является кусочно-линейной функцией. Такой детектор применяют в схемах фазовой подстройки частоты (ФАПЧ), где генератор управляющих сигналов генерирует пилообразные или синусоидальные сигналы с постоянной амплитудой. Для сигнала и_вх(?) прямоугольной формы детекторная характеристика имеет прямоугольную форму, поэтому схему можно рассматривать как детектор знака фазового сдвига, или фазовый дискриминатор. При С₂ 3> С, схема одновременно выполняет функции детектора фазы и фильтра нижних частот. Таким образом, рассматриваемый детектор обладает многими полезными свойствами, имеет простую схему, в которой отсутствуют резисторы.