Амплитудные ограничители

АО применяются в приемниках потому, что частотные детекторы создают на выходе напряжение, как правило, одновременно зависящее как от частоты, так и от паразитной амплитудной модуляции, при наличии которой де­текторы без АО дают неоднозначный результат.
Операция ограничения - нелинейная, поэтому при этом возни­кает ряд гармонических
составляющих напряжения. Для обеспече­ния на выходе АО гармонического напряжения Uвых, соответствующего входному сигналу, необходимо после нелинейного преобразования напряжения Uвх осуществить фильтра­цию первой гармоники входного колебания. Тогда структурная схема АО (Рис.2) включает в себя нелинейную цепь и фильтр, выделяющий первую гармонику тока на выходе цепи.
В зависимости от вида нелинейной цепи АО подразделяются на диодные и транзисторные.
Рисунок 2

Рисунок 3
Рисунок 4
Диодный АО (Рис.3) - резонансный одноконтурный усилитель с автотрансформаторными цепями связи контура с выходом транзистора и с вхо­дом последую-щего каскада, в котором параллельно конту­ру вклю-чен диод VD с источ­ником постоянного смещения Ед .
Принцип работы диодного АО:
Если амплитуда напряжения на контуре Uк<Εд, то диод VD закрыт и не оказывает влияния на контур, схема работает как обычный усилитель и Uк = K0 Uвх .
Если Uк>Eд, то диод открывается, его входное сопротивление начинает шунтировать контур, зату-хание контура увеличивается, эквивалентное сопро-тивление контура при резонансе Rэкв уменьшается снижается коэффициент усиления К0, что обеспечивает примерное постоянство напряжения на выходе АО. Амплитудная характеристика (АХ), показывает, как изменяется амплитуда выходного напря­жения Uк≡Uвых при изменении напряжения Uвх на входе Рис. 4.
Пороговое напряжение Uпор показывает, с какого вход-ного напряжения усилитель начинает работать как АО
Чем ближе АХ к идеаль­ной (горизонтальная прямая на Рис.4.), тем лучше ограничи-тель­ные свойства АО. Форма амплитудной характеристики АО зависит от произведе-ния Rэкв gд, где gд — входная проводимость диода. Чем больше произведение Rэкв gд, тем ближе АХ к идеальной.

Простейший транзисторный АО. Такой АО аналогичен обычному усилителю (Рис. 5.). В отличие от усилителя транзистор АО работает в нелинейном режиме, для этого коллекторное напряжение Ε берут несколько меньше, чем в обычном усилителе; напряжение Uвх имеет достаточно большую амплитуду. На выходных характеристиках транзистора iк=f(uкэ) (рис.6.) построена динамическая характеристика переменного тока (нагрузочная прямая), угол наклона которой определяется сопроти­влением Rэкв контура. При большой амплитуде Uвх наступает дву­сторонняя отсечка коллекторного тока, вызванная наличием об­ластей запирания и насыщения. При этом ток iк оказывается ограни­ченным по максимуму и по минимуму; резонансный контур выделя­ет первую гармонику коллекторного тока. При Uвх < Uпор (Рис.4) ток iк не имеет отсечки и напряжение Uвых растет пропорцио­нально Uвх; при Uвх > Uпор появляется отсечка тока iк, рост амп­литуды первой гармоники замедляется с увеличением Uвх, что обес­печивает в определенных пределах постоянство напряжения Uвых.
Рисунок 6
Рисунок 5

Транзисторный АО с двумя транзисторами и общим Rэ Рис.7.
Напряжение на выходном контуре АО определяется первой гармоникой выходного тока i2 транзистора VТ2 . Диаграммы тока i2 при различных уровнях входного напряжения на базе транзистора VT1 показаны на Рис. 8. Если Uвх=0, то выходной ток i2=i20 ; обычно транзисторы VТ1 и VТ2 и режимы их работы выбираются одинаковыми, поэтому i20=i10 .
Рисунок 7
Ток i20 зависит от начального режима работы транзисторов.
Предположим, что напряжение Uвх возрастает, т.е. положительный потенциал на базе транзистора VТ1 увеличивается. Это вызывает подзапирание транзистора VТ1, при этом его эмиттерный ток iэ1 уменьшается, а следовательно, снижается и напряжение Uэ=RЭ (iЭl+iЭ2). Так как это напряжение является запирающим для транзисторов VT 1 и VТ 2 , то его уменьшение вызывает бОльшее отпирание транзистора VТ2 и увеличение токов iЭ2 и i2 . Ток iЭ2 возрастает до тех пор, пока напряжение Uвх не закроет транзистор VT 1 ; при этом i2=i2max Далее при любом увеличении Uвх и положительного потенциала на базе VТ1 (транзистор VТ1 закрыт) ток i2 не меняется и поддерживается равным i2 max . Ток i2 при закрытом транзисторе VТ1 – ток в рабочей точке, определяемый сопротивлениями резисторов R 3 , R 4 и R Э .

Предположим теперь, что напряжение Uвх уменьшается относительно нуля, т.е. на базу транзистора VТ1 подается отрицательный потенциал. При этом ток iЭl и напряжение UЭ увеличиваются, транзистор VТ2 подзапирается, ток iЭ2 уменьшается; при некотором отрицательном потенциале на базе VТ1 транзистор VТ2 полностью запирается и ток i 2 уменьшается до нуля. Далее как бы ни увеличивался отрицательный потенциал на базе VТ1 транзистор VТ1 открыт, транзистор VТ2 закрыт и ток i2=0. Если амплитуда Uвх<Е (рис. 9), то ток i2 , а следовательно, и напряжение Uвых линейно зависят от Uвх . Если Uвх>Е, то появляется двусторонняя отсечка тока i2 , амплитуда первой гармоники тока i2 увели-чивается значительно медленнее роста Uвх . При Uвх >> Е ток i2 по форме представляет собой прямоугольные импульсы с почти постоянной амплитудой первой гармоники тока. Все это определяет вид АХ ограничителя, показанный на Рис. 9. На АХ при Uвх = Е напряжение на выходе равно Uвых0 = 0,5 i2max *Rэкв , где Rэкв – эквивалентное сопротив-ление выходного контура. Изменяя Rэкв можно регулировать порог ограничения Uвых.
Рисунок 8
Рисунок 9

ВЫВОДЫ по АО
1. АО обеспечивает постоянство амплитуды выходного гармонического колебания, но не изменяет частоту и фазу входного сигнала.
2. В диодном АО постоянство напряжения Uвыx обеспечивается при Uвx >Uпор за счет шунтирования контура входным сопротивлением диода, которое возрастает по мере увеличения Uвx .
3. В простейшем АО с одним транзистором ограничение наступает при Uвx > Unop , когда транзистор начинает работать в нелинейном режиме, характеризуемом появлением отсечки его коллекторного тока. При этом рост амплитуды первой гармоники Im1 замедляется, что ограничивает увеличение Uвыx .
4. Двустороннее ограничение выходного тока АО с двумя транзисторами и общим RЭ обеспечивается благодаря запиранию первого транзистора при большом положительном потенциале на его базе и второго при большом отрицательном потенциале на базе первого транзистора.

Частотное детектирование
Частотный детектор – это нелинейное радиотехническое устройство, у которого напряжение на выходе изменяется пропорционально изменению частоты Частотно Модулированного Колебания (ЧМК).
Продетектировать ЧМК с помощью амплитудного детектора невозможно.
При подаче на вход АД частотно-модулированных колебаний, на выходе получим постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде ЧМК,
составляющая модулирующей частоты F будет ликвидирована.
Чтобы на выходе АД появилось составляющая модулирующей частоты, необходимо предварительно преобразовать частотно-модулированные колебания в амплитудно-модулированное.
Эту задачу в частотном детекторе выполняет преобразователь вида модуляции (ПВМ). Для устранения амплитудной помехи на входе ЧД включается Амплитудный Ограничитель АО. Амплитудная помеха, если её не устранить, наложится на выходной сигнал и исказит передаваемую информацию.

Структурная схема Частотного Детектора и форма прохождения сигнала в его каскадах представлена на Рис. 10.
Рисунок 10
Виды частотных детекторов (ЧД)

1 ЧД с преобразованием отклонения частоты Fн в изменение амплитуды Uк
В таких детекторах ЧМ-колебание преобразуется в Амплитудно-Частотно-Модулированное колебание (АЧМ). Резонансные цепи должны быть расстроены относительно несущей частоты Fн. В простейшем случае используется Однотактный ЧД.
Это обычный колебательный контур и обычный амплитудный детектор (Рис.11). Входной контур CL настраивается так, чтобы частота сигнала Fн соответствовала середине одной из боковых ветвей резонансной характеристики контура, а изменение частоты сигнала находилось в пределах этой боковой ветви. Амплитуда напряжения на контуре зависит от частоты поданного на него сигнала (Рис.12). В результате ЧМ колебание преобразуется в АЧМ колебание, амплитуда которого изменяется в зависимости от частоты входного ЧМ сигнала. При постоянной амплитуде входного ЧМ сигнала, с ростом частоты Fн, будет увеличиваться амплитуда Uк напряжения на контуре. При понижении частоты Fн, амплитуда напряжения на контуре уменьшается. Далее сигнал детектируется обычным амплитудным детектором VD1CнRн. Недостатки однотактного детектора смотрим далее…
Рисунок 12
Рисунок 11

Однотактное преобразование сигнала тем точнее повторяет закон частотной модуляции, чем прямоли­нейней боковая ветвь резонансной характеристики контура. Это наступает при больших расстройках контура относительно частоты Fн. При этом напряжение на контуре оказывается значительно меньше резонансного, что понижает амплитуду выходного напряжение детектора Eд, а следовательно и его коэффициент передачи.
Характеристика преобразованного сигнала не проходит через нуль, поэтому невозможно определить знак отклонения от несущей частоты, и невозможно использовать такой детектор для системы автоподстройки частоты приемника (АПЧ)
Характер преобразования имеет довольно большие искажения, т.к в реальном контуре невозможно в достаточных пределах обеспечить прямую боковую ветвь АЧХ
Вывод: нужно что – то придумать. Например два контура и два детектора…

Балансный ЧД с двумя взаимно-расстроенными контурами
В этих детекторах в качестве ПВМ используется двухконтурная система с взаимно расстроенными контурами относительно некоторой средней (несущей) частоты Fн и два амплитудных детектора (Рис. 13).
Рисунок 13
Верхний контур настроен на частоту ƒ02>ƒН, нижний на частоту ƒ01<ƒН. Т.е. контуры симметрично взаимно расстроены относительно несущей (средней частоты) ƒН.
При немодулированном сигнале на входе (ƒВХ= ƒН) напряжения на кон-турах равны U1=U2, следовательно, равны и напряжения на диодах.
Токи диодов при симметрии схемы также равны и противоположны по направлению
|I01|=|I02|. Напряжения на резисторах R1 и R2 также равны и противоположны по
знаку |U01|=|U02|. Результирующее напряжение на выходе детектора равно нулю.
Если частота сигнала на входе возрастает (ƒВХ>ƒН), то напряжение на верхнем контуре увеличивается, а на нижнем уменьшается. В результате: U02>U01; U0=U02-U01>0 (напряжение на выходе положительно и изменяется пропорционально изменению частоты входного сигнала).
Если частота сигнала на входе уменьшается (ƒВХ<ƒН) – напряжение на выходе отрицательно U02

Рисунок 14
Диаграмма, поясняющая работу Балансного ЧД
Амплитуда выходного напряжения больше, чем у однотактного ЧД
Линейный участок характеристики больше, чем у однотактного ЧД
Характеристика детектирования симметрична и проходит через нуль, что позволяет использовать сигнал в АПЧ приемника
Недостаток – при сильной взаимной расстройке контуров характеристика детектирования становится нелинейной и вызывает искажения
Балансные детекторы с взаимно расстроенными контурами применяются при детектировании широкополосных ЧМ сигналов с большими индексами модуляции (вещательный прием)

2 ЧД с преобразованием изменения частоты в изме­нение фазового сдвига.
Такие детекторы выполняются по схеме со связанными контурами. Схема такого ЧД показана на рис. 15 и представляет собой систему двух контуров, связанных между собой внешней ёмкостной связью за счёт малой емкости Ссв. Оба контура настроены на одну частоту ƒ0=ƒН. Схема ЧД представляет
собой два симметрично замкнутых
контура, для которых можно по второму
закону Кирхгофа составить уравнения 1:
Рисунок 15
Принцип преобразования ЧМ колебаний
в ЧМ-АМ колебания основан на измене-
нии фазовых соотношений напряжений
на контурах при изменении частоты входного сигнала.
Рассмотрим три случая:
1) ƒс=ƒ0.
При условии 1/ωСССВ>>ZРК2, ток связи iсв опережает Ú1на 90º. При ƒс=ƒ0 второй контур имеет чисто активное сопротивление и соответственно Ú2= İсв ZРК2 совпадает по фазе с током iсв (Рис16)
Рисунок 16

Используя формулу 1 определим графи-чески Uд1 и Uд2 (рис. 17). |Uд1|=|Uд2|; |U01|=|U02|. Эти напряжения имеют противоположную полярность, и следовательно, U0=0.
2) ƒ′С>ƒ0
Сопротивление Zрк2 приобретает активно ёмкостной характер (Рис 18). Соответственно U2 отстаёт от İсв на угол ϕ (рис.19). Рассуждая аналогично, как и в
1-м случае, имеем :
|Uд2|>|Uд1|; |U02|>| U01|. То есть на выходе детектора образуется напряжение U0>0.
3) ƒ``<ƒ0. Сопротивление Zрк2 приобретает активно-индуктивный характер (Рис. 18);
U2 опережает İСВ на угол ϕ (Рис. 20). |Uд1|>|Uд2|; |U01|>| U02|.
На выходе детектора образуется напряжение U0<0.
Рисунок 17
Рисунок 18
Рисунок 18
Рисунок 19
Рисунок 20

Таким образом, при изменении частоты входного сигнала по закону модулирую-щего сигнала напряжение на выходе детектора дополнительно приобретает амплитудную модуляцию по закону изменения частоты входного сигнала.
Частотные детекторы на связанных контурах в области несущей частоты имеют линейный участок детекторной характеристики UВЫХ=F(Δƒ) , однако диапазон частот этого участка мал (несколько единиц килогерц).
Поэтому такие детекторы используют в узкополосных системах связи с малыми индексами частотной модуляции. Это в основном одноканальные радиосистемы.

Дробный детектор (детектор отношений)
Рисунок 21

Рисунок 22

Перед выполнением лабораторной работы необходимо ЗНАТЬ:
Девиация и индекс частотной модуляции. Зависимость этих параметров от частоты модуляции. Отличие ЧМ от FМ
Спектр ЧМ сигнала при модуляции гармоническим тоном.
Ширина спектра ЧМ сигнала.
Детекторная характеристика ЧД и требования к ней.
Проблема подавления паразитной АМ при частотном детектировании.
Виды частотных детекторов и принцип их работы.
Принципиальная схема и принцип работы частотного детектора на расстроенном контуре, балансная схема ЧД на расстроенных контурах.
Принципиальная схема и принцип работы диодного балансного ЧД на связанных одинаково настроенных контурах.
Принципиальная схема и принцип работы дробного ЧД.

Фазовые детекторы
Фазовым детектором (ФД) называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения. Если на входе ФД действует напряжение Uвх= Uвхcos [ωt+ φ(t)], то продетектированное напряжение Εд = ΚФД φ(t). Положим, на входе ФД действует напряжение Uвх, показанное на рис. 23, а, тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис. 23, б.
Рисунок 23 Рисунок 24
Структурная схема ФД показана на рис. 24. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение) ωг = ωс = ω0. Под действием опорного напряжения U0 меняется активный параметр схемы, обычно крутизна S. Схема ФД совпадает также со схемой обычного АД , поэтому продетектированное
напряжение на выходе ФД имеет вид:
где S1 — амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;
φ = φ0 — φс. В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД.
В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы.

Виды фазовых детекторов
Балансный ФД. Такой ФД представляет собой два диодных однотактных ФД (рис. 25), каждый из которых работает на свою нагрузку. В результате этого на выходе каждого плеча ФД создается напряжение Ед1 и Ед2 встречной полярности, поэтому Ед=Ед1—Ед2.
Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности, поэтому фаза напряжения Uвх отличается от фазы U"вх на 180°. Опорное напряжение прикладывается к диодам в одинаковой фазе, поэтому
Рисунок 25
Рисунок 26
Следовательно, Eд=Eд1-Eд2»Kд(Uвх+U'вх)cos φ=2KдUвхcos φ. Характеристики детектиро-вания плеч и всего ФД при U0≈Uвх показаны на рис 26

В кольцевом ФД используются два балансных фазовых детек­тора, при этом симметричность характеристики детектирования улучшается, а коэффициент передачи детектора возрастает.
Выводы.
1. Балансный ФД — это сочетание двух однотактных ФД, каждый из которых работает на свою нагрузку и создает на них взаимно противоположные напряжения; раз­ность этих напряжений определяет продетектированное на­пряжение на выходе балансного ΦД. Полярность входных сиг­налов на диодах обратна, опорного напряжения — одинакова.
2. Характеристика детектирования балансного ФД по срав­нению с однотактным более симметрична и проходит через нуль. Симметричность этой характеристики проявляется и при U0≈Uвх.
КОНЕЦ ДЕТЕКТОРАМ