Мета роботи. - провести дослідження властивостей амплітудного обмежувача з шунтуючими діода, транзисторного амплітудного обмежувача з емітерним зв’язком та балансного

- провести дослідження властивостей амплітудного обмежувача з шунтуючими діода, транзисторного амплітудного обмежувача з емітерним зв’язком та балансного частотного детектора зі зв’язаними контурами.

6.2. Теоретичні відомості

Частотний детектор (ЧД) – це пристрій, що служить для створення напруги, що відповідає закону частотної модуляції підведеного коливання. В ЧД, що розглядається (рисунок 6.7.), використовується наступний принцип: частотно-модульоване коливання перетворюється в коливання модульоване по фазі; останнє детектується балансним амплітудно-фазовим детектором. Вихідна напруга такого детектора залежить не лише від частоти вхідного коливання, а і від його амплітуди, тому ЧД, побудований за схемою рисунка 6.7., називають амплітудно-частотним детектором (АЧД). Для того, щоб отримати частотне детектування, коливання, що подається на перетворювач ЧМ і ФМ попередньо обмежують по амплітуді. Пристрій, що здійснює обмеження амплітуди підведеного коливання, називають амплітудним обмежувачем.

Балансний ЧД зі зв’язаними контурами.

Принципова схема ЧД зображена на рисунку 6.7. Два індуктивно зв’язаних контури являються перетворювачем ЧМ в ФМ; вони обидва налаштовані в резонанс на середню частоту ЧМ коливання . Перший коливальний контур безпосередньо ввімкнений в коло колектора транзистора Т2 амплітудного обмежувача, робота якого розглядається дещо пізніше. Напруга , що діє на першому контурі, використовується в якості опорної в амплітудно-фазовому детекторі. Тому середня точка котушки індуктивності по високій частої за допомогою конденсатора з’єднується з колектором .

До другого контура підключені діодні амплітудні детектори (АД), що входять до складу балансного амплітудно-фазового детектора. До кожного АД підводиться опорна напруга , що діє на першому контурі, і напруга, що знімається з напівобмотки котушки . Напруги на кінцях котушки по відношенню до її середньої точки протилежні за фазою, а по амплітуді однакові і рівні . Тому комплексна амплітуда напруги високої частоти на вході першого АД рівна:

(89)

Комплексна амплітуда на виході другого АД:

(90)

Дросель Др служить для створення кола постійних складових струмів діодів Д₁ і Д₂ та одночасно розділяє по високій частоті середню точку котушки і загальну точку навантажень амплітудних детекторів АД (остання має нульовий потенціал по ВЧ, завдяки конденсатору ).

Високочастотні напруги та створюють на навантаженнях АД зустрічно направлені випрямлені напруги та . Їх різниця є вихідною напругою амплітудно-фазового детектора, а відповідно, і всього ЧД:

, (91)

Враховуючи те, що коефіцієнти передачі амплітудних детекторів однакові і рівні , замість (98) можна записати:

, (92)

де та – амплітуди високочастотних напруг та .

Залежність (чи ) від підведеного коливання називають частотною характеристикою ЧД. Розглянемо цю залежність якісно за допомогою векторних діаграм.

Якщо частота сигналу співпадає з резонансною частотою контурів ЧД , то векторна діаграма має вигляд рисунку 6.1.а. При її побудові в якості вихідного прийнятий вектор напруги на першому контурі . Струм в котушці індуктивності відстає по фазі від напруги на 90º. Електрорушійна сила , що наводиться струмом в котушці індуктивності другого контура , при позитивній взаємоіндуктивності випереджає струм на 90º, тому вектор на діаграмі співпадає за напрямком з вектором . Струм на другому контурі при резонансі співпадає по фазі з ЕРС . Напруга на котушці індуктивності випереджає струм на 90º. Побудовані на діаграмі, в відповідності з формулами (89) та (90), вектори напруги та мають однакову довжину, відповідно, при на входах АД діють напруги з рівними амплітудами і відповідно до формули (92) вихідні напруги ЧД рівні нулю.

Якщо частота сигналу більше резонансної частоти контурів , то векторна діаграма приймає вигляд рисунку 6.1.б. На ній вектори , , займають такі ж положення, як при , так як зміна частоти сигналу може привести лише до зміни амплітуд вказаних напруг, струму та ЕРС. Реактивна складова опору другого контура (при послідовному обході його елементів) має при індуктивний характер, тому струм в другому контурі відстає від ЕРС на деякий кут . На векторній діаграмі видно, що вектор напруги більше , а із (92) слідує, що напруга на виході ЧД позитивна.

Рис. 6.1. Векторні діаграми щодо пояснення роботи балансного ЧД

Побудувавши векторну діаграму для , можна показати, що при таких частотах сигналу на виході ЧД діє від’ємна напруга, так як .

При нормальних розлаштуваннях кут змінюється пропорційно . Скориставшись справедливими для порівняно малих наближеною рівністю , можна показати, що при постійних амплітудах напруг та вихідна напруга ЧД повинна змінюватись пропорційно . При великих розлаштуванняхх вказана пропорційність порушується по наступних причинах: становиться нелінійною залежність від змінюються амплітуди напруг на контурах та і т.д. В результаті характеристика ЧД має вигляд зображений на рисунку 6.2.

Рис. 6.2. Частотна характеристика ЧД

Форма характеристики, крутизна її робочої ділянки, відстань між екстремальними точками залежить від частоти налаштування контурів , їх еквівалентних затухань , фактора зв’язку між контурами характеристичного опору контурів .

Рис. 6.3. Характеристики ЧД залежно від параметрів контурів і їх налаштувань

На рисунку 6.3. приведено сімейство узагальнених характеристик ЧД, що дозволяє оцінити вплив , , на форму характеристики частотного детектора, а також виконати необхідні розрахунки. Сімейство характеристик приведено лише для додатних узагальнених розстройок ; при побудові характеристик в області від’ємних розлаштувань потрібно враховувати, що являється непарною функцією , тобто .

Амплітудний обмежувач з шунтуючими діодами.

Схема обмежувача разом з АЧД показана на рисунку 6.8. Еквівалентна схема приведена на рисунку 6.4. Транзистор Т2 замінений в ній еквівалентним генератором струму при чому – крутизна характеристики колекторного струму транзистора. Вихідний опір транзистора та його вихідна ємність враховані при визначенні еквівалентного резонансного опору першого контура та еквівалентної ємності першого контура АЧД:

Рис. 6.4. Еквівалентна схема амплітудного обмежувача

(93)

(94)

В цих формулах:

– власний резонансний опір першого контура, рівний добутку його характеристичного опору та конструктивної добротності ;

– еквівалентний вхідний опір шунтуючих діодів.

Д3 та Д4, ввімкнені паралельно першому контуру:

(95)

де – вхідний опір кожного з діодів Д3 та Д4;

– еквівалентний вхідний опір амплітудних діодних детекторів з діодами Д1 та Д2, що шунтують перший контур:

(96)

де – ємність конденсатора, що входить в схему першого контура;

– ємність монтажу і власна ємність котушки L1;

– еквівалентна вхідна ємність діодів Д3 та Д4, рівна (діоди Д3 і Д4 ввімкнені паралельно першому контуру);

– еквівалентна вхідна ємність діод них амплітудних детекторів з діодами Д1 та Д2, рівна (обидва детектори ввімкнені паралельно першому контуру).

При розрахунку характеристик обмежувача необхідно враховувати вплив другого контура АЧД на перший. В схемі на рисунку 6.4. його еквівалентний резонансний опір позначено , причому:

(97)

тут – власний резонансний опір другого контура, рівний:

– опір резисторного шунта;

– як і в еквівалентній схемі першого контура, вхідний опір кожного з амплітудних детекторів з діодами Д1 та Д2.

(До другого контура вхідні опори обох детекторів підключені послідовно).

Еквівалентна ємність другого контура рівна:

(98)

де – вхідна ємність кожного з амплітудних діодних детекторів, ввімкнених послідовно іншому контуру.

В відповідності з приведеною еквівалентною схемою на рисунку 6.4. амплітуда напруги на першому контурі рівна:

(99)

де – фактор зв’язку між контурами АЧД:

(100)

де – еквівалентне затухання першого контура з урахуванням впливу шунтуючих діодів Д3 та Д4:

(101)

де – еквівалентне затухання другого контура:

(102)

Враховуючи те, що діоди Д3 та Д4 є лінійними елементами, визначимо їх вхідний опір як відношення амплітуди прикладеної напруги до амплітуди першої гармоніки несинусиїдального струму діода :

(103)

Якби вольтамперна характеристика шунтуючого діода являла собою ламану пряму з точкою зламу на початку координат, то не залежав би від так як кут відсічки струму діода при будь-яких був би рівний 90º та був би пропорційний .

Рис. 6.5. Апроксимована ВАХ діода

Для нормальної роботи амплітудного обмежувача, що розглядається, опір має падати з ростом . Цього досягають або подачею на кожен із діодів напруги початкового від’ємного зміщення, або ж застосуванням діодів, у яких точка зламу вольтамперної характеристики знаходиться по праву сторону від початку координат (рисунку 6.5.). Такими є і діоди Д104А, що використовуються в лабораторному макеті.

Отримаємо вираз вхідного опору такого діода. Амплітуду першої гармоніки струму діода знайдемо як:

(104)

де – коефіцієнт ряду Фур’є рокладу періодичної послідовності косинусоїдальних імпульсів (коефіцієнт Берга);

, (105)

де – імпульс струму діода.

Як видно на рисунку 6.5., імпульс струму рівний:

(106)

де – крутизна характеристики прямого струму діода.

Підставивши (104), (105) та (106) в (103) і поділивши чисельник та знаменник на , отримаємо:

(107)

Враховуючи, що після нескладних перетворень отримаємо:

(108)

Зі збільшенням функція швидко зменшується, асимптотично наближаючись до 2 при . Тому вхідний опір діодів з ростом спочатку швидко падає від , потім прямує до постійної величини при . Така зміна при зміні і обумовлює нелінійність амплітудної характеристики обмежувача.

Амплітудний обмежувач на двох транзисторах з емітерним зв’язком.

Схема обмежувача показана на рисунку 6.9. Фільтр АЧД ввімкнений в коло колектора транзистора Т2, ввімкненого зі спільною базою. Застосовувана напруга цього транзистора знімається з резистора ввімкненого в загальне коло емітерів Т1 та Т2. Транзистор Т1 ввімкнений з загальним колектором, між його базою та загальною шиною діє вхідна напруга . Даний обмежувач так само як і амплітудний обмежувач з шунтуючими діодами, може розглядатись як резонансний підсилювач суттєво нелінійною амплітудною характеристикою. Ця не лінійність обумовлена нелінійною залежністю струму колектора транзистора Т2 від вхідної напруги . Розглянемо цю залежність. Якщо миттєві значення додатні та достатньо великі, такі що транзистор Т1 закритий, то через резистор протікає лише струм емітера транзистора Т2. Колекторний струм останнього при цьому визначається лише параметрами транзистора Т2, напругою джерела живлення , опором і постійною напругою, що подається на базу Т2 від дільника R₇R₈. Зменшення приведе до відкриття транзистора Т1. При цьому падіння напруги на резисторі буде визначатись сумою струмів емітерів першого та другого транзисторів; внаслідок цього струм колектора транзистора Т2 зменшується. При деякому від’ємному миттєвому значені струм транзистора Т1 зростає настільки, що спад напруги виявиться достатнім для повного запирання транзистора Т2. Графік залежності приведений на рисунку 6.6.

Рис. 6.6. Принцип роботи амплітудного обмежувача

На рисунку 6.6. також показана форма струму при аппороксимації характеристики ламаної прямої і дії на вході обмежувача синусоїдної напруги з амплітудою , що перевищує напруги відсічки і При подальшому збільшенні розмах струму залишається постійним і дорівнює , тільки трохи змінюється його форма, прямуючи до прямокутної.

На коливальному контурі, ввімкненому в коло колектора транзистора , виникає змінна напруга, амплітуда якої при резонансі дорівнює добутку амплітуди першої гармоніки струму і еквівалентного опору навантаження, створеного фільтром АЧД:

(109)

де – еквівалентний резонансний опір першого контура:

Коефіцієнт враховує вплив другого контура на перший.

Так як форма струму при зміні змінюється порівняно мало, то амплітуда першої гармоніки цього току, а отже, і амплітуда вихідної напруги мало залежить від і визначається виразом:

(110)

Підставивши вирази (110) в (109), отримаємо формулу амплітуди напруги на виході обмежувача при дії на його вхід синусоїдального коливання з частотою та амплітудою :

(111)