Обратная связь в частотном детекторе
Радио, 1981, 11
Качество звучания ЧМ приёмника в значительной степени зависит от частотного детектора и, в частности, от таких его параметров, как коэффициент гармоник и коэффициент подавления амплитудной модуляции. Непременным условием получения малого коэффициента гармоник является максимальная линейность детекторной характеристики (S-кривой). Соответствующие расчёты [1, 2] показывают, что при протяжённости линейного участка этой характеристики 300 кГц коэффициент гармоник равен 1%, при протяжённости 900 кГц - 0,28%.
В настоящее время в радиовещательной ЧМ аппаратуре широко применяются детекторы отношений и фазовые [3, 4]. Протяжённость линейных участков их детекторных характеристик не превышает 300...500 кГц, отсюда и довольно большой коэффициент гармоник. Оставляет желать лучшего и коэффициент подавления амплитудной модуляции. Так, в детекторе отношений он не превышает 20 дБ. а в фазовом детекторе даже ниже.
Рис. 1.
Искажения продетектированного сигнала можно значительно уменьшить введением отрицательной обратной связи по частоте. Структурная схема детектора с обратной связью показана на рис. 1. Он состоит из фазового детектора (перемножителя сигналов) U2, фазосдвигающего контура U1, осуществляющего обратную связь варикапа VI; фильтра НЧ Z1 и усилителя постоянного тока A1. Когда частота входного сигнала совпадает с частотой настройки фазосдвигающего контура, напряжения на входах фазового детектора равны и сдвинуты по фазе на 90°, а напряжение на его выходе равно нулю. Как только частота входного сигнала станет меньше или больше частоты фазосдвигающего контура, в соответствии с его ФЧХ уменьшается или увеличивается фазовый сдвиг входных напряжений детектора, и на его выходе появляется напряжение отрицательной или положительной полярности. Воздействуя на варикап V1, это напряжение изменяет частоту настройки фазосдвигающего контура, пока она снова не совпадёт с частотой входного сигнала. Таким образом, мгновенная частота входного сигнала всегда будет находиться в пределах центрального, наиболее линейного участка ФЧХ фазосдвигающего контура. Разумеется, из-за действия отрицательной обратной связи выходное напряжение детектора уменьшится во столько раз, во сколько уменьшится расстройка контура относительно частоты входного сигнала. Это уменьшение компенсируется усилителем постоянного тока A1.
Детектор с обратной связью обладает целым рядом преимуществ перед обычными детекторами. Ширина линейного участка детекторной характеристики у него гораздо больше. Полоса пропускания фазосдвигающего контура такого детектора не обязательно должна быть широкой - её можно выбрать даже уже удвоенной девиации частоты сигнала. При достаточно глубокой обратной связи линейность ФЧХ контура почти не влияет на линейность детекторной характеристики, которая определяется лишь линейностью цепи управления частотой. При этом условии резонансная частота контура почти точно совпадает с мгновенной частотой сигнала, и на входе усилителя постоянного тока наблюдается лишь очень небольшое напряжение ошибки слежении. Изменения амплитуды входного сигнала в этом случае настолько сильно подавляются, что детектор перестаёт реагировать на паразитную амплитудную модуляцию.
Следует отметить и одну интересную особенность ЧМ детектора с обратной связью. При изменении полярности управляющего напряжения на варикапе обратная связь становится положительной, крутизна детекторной характеристики увеличивается, а ширина её уменьшается. В результате появляется возможность конструирования детектора на частоту 10,7 МГц для систем связи с узкополосной ЧМ, у которых ширина линейного участка детекторной характеристики не превышает 20 кГц.
Рис. 2.
На рис. 2 приведена принципиальная схема детектора с обратной связью. Он собран на интегральной микросхеме А1, выполняющей функции фазового детектора и усилителя постоянного тока. Входной сигнал с усилителя ПЧ поступает на базу токозадающего транзистора микросхемы А1 (вывод 12) непосредственно, а на фазосдвигающий контур L1C2C4V1V2 - через конденсатор С2, обеспечивающий фазовый сдвиг 90°. С этого контура напряжение поступает на дифференциальный вход микросхемы A1 (вывод 4). Выходное напряжение фазового детектора дополнительно усиливается усилителем на транзисторе V3. Цепь управления частотой настройки фазосдвигающего контура образуется за счёт подачи на него через резистор R2 напряжения с выхода усилителя постоянного тока.
Когда частота входного сигнала совпадает с частотой настройки фазосдвигающего контура, фазовый сдвиг напряжений, поступающих на входы микросхемы A1, равен точно 90°, и напряжение на выходе детектора равно нулю. При несовпадении названных выше частот фазовый сдвиг этих напряжений изменится, на выходе детектора появится некоторое напряжение. Через цепь обратной связи (резистор R2) это напряжение поступит ни фазосдвигающий контур и с помощью варикапов V1, V2 изменит частоту его настройки в сторону отклонения частоты входного сигнала.
Практическая проверка этого детектора при уровне входного сигнала 0,1 В и частоте 3,5 МГц показала, что введение обратной связи расширяет линейный участок детекторной характеристики с 300 кГц до 1 МГц, причём величина его ограничивается лишь вхождением УПТ в режим ограничения. Коэффициент подавления амплитудной модуляции возрос в среднем по полосе на 30 дБ.
Настройку детектора начинают с подбора резистора R4 такого сопротивления, при котором напряжение на коллекторе транзистора V3 близко к нулю. Далее, разорвав цепь обратной связи (правый - по схеме - вывод резистора R2 соединяют с общим проводом), с помощью конденсатора С2 добиваются симметричности детекторной характеристики. После этого восстанавливают цепь обратной связи и снимают характеристику детектора с обратной связью.
Рис. 3.
На рис. 3 приведена принципиальная схема детектора, рассчитанного на детектирование сигнала частотой 10,7 МГц. Он выполнен на полевом транзисторе V1, работающем в режиме управляемого активного сопротивления |4]. Через конденсатор C1 напряжение ПЧ поступает на сток транзистора V1, а через конденсатор С2 - на фазосдвигающий контур L1V3V4. Сдвинутое по фазе на 90° напряжение с контура поступает на затвор транзистора V1. Продетектированный сигнал усиливается усилителем постоянного тока на транзисторе V2, после чего подаётся на вход усилителя НЧ и (через резистор R3) на варикапы V3, V4, управляющие частотой настройки фазосдвигающего контура. Когда частота настройки этого контура равна частоте входного сигнала, напряжения на стоке и затворе транзистора V1 сдвинуты по фазе точно на 90°, и напряжение на выходе детектора отсутствует. При отклонении частоты сигнала от частоты настройки контура, сдвиг фаз между указанными напряжениями изменяется, и на выходе детектора в зависимости от знака расстройки появляется напряжение положительной или отрицательной полярности. Кремниевый диод V5 в цепи истока транзистора V2 служит для создания начального напряжения смешения (около 0,5 В) на его затворе.
Катушка L1 этого варианта детектора намотана проводом ПЭЛШО 0,35 на каркасе диаметром 8 мм (без подстроечника) и содержит 23 витка.
Налаживание детектора начинают с настройки фазосдвигающего контура на частоту 10,7 МГц подбором резистора R4. Затем, разорвав цепь обратной связи (и месте соединения конденсатора С3 и резистора R2) и подключив параллельно конденсатору С3 вольтметр постоянного тока (желательно с нулём в середине шкалы), подают на вход детектора сигнал (от ГСС) напряжением 0,3 В. Изменяя ёмкость подстроенного конденсатора С2, добиваются максимальной ширины линейного участка характеристики детектора.
Рис. 4.
Полученная автором характеристика показана на рис. 4, а. На том же рисунке штриховой линией показана зависимость подавления амплитудной модуляции от точности настройки. Снималась она следующим образом: в генераторе сигналов включалась внутренняя модуляция глубиной 30%, а на выходе детектора регистрировался уровень сигнала, модулированного частотой 1000 Гц. Эту операцию можно проделать с помощью осциллографа.
Приведённые на рис. 4, а кривые хорошо иллюстрируют недостатки детектора без обратной связи: линейный участок его характеристики ограничен примерно 500 кГц, максимум подавления амплитудной модуляции очень узок и не совпадает с нулём детекторной характеристики
После включения обратной связи (восстановления соединения конденсатора C3 и резистора R2) линейный участок детекторной характеристики увеличился до 1500 кГц, а выходное напряжение (размах) возросло с 0,2 до 1,5 В (рис. 4,б). Одновременно значительно улучшилось подавление амплитудной модуляции.
Описанный детектор с обратной связью был применён в радиовещательном приёмнике вместо детектора отношении. Качество звучания значительно улучшилось.
В. Поляков, г. Москва
ЛИТЕРАТУРА
- Чистяков Н. И., Сидоров В. М. Радиоприёмные устройства.- М., Связь. 1974.
- Кононовнч Л. М Радиовещательный приём. - М., Энергия. 1977.
- Александров Г. Микросхемы К174ХА2 и К174УРЗ.- Радио, 1980. № 4, с. 59, 60.
- Поляков В. ЧМ детектор на полевом транзисторе,- Радио, 1978, 6, с. 35.