Частотный модулятор.

Спектр сигнала с частотной модуляцией можно найти из выражения

где тчм = о)н/сом — индекс частотной модуляции.

При малом индексе модуляции тчм модуляция будет неглубокой и можно сделать следующие допущения:

В результате частотно-модулированное колебание можно представить в виде

Отсюда следует, что при малом индексе частотной (и фазовой) модуляции спектр сигналов содержит две боковые полосы с шириной 2сомтах.

Схема (а) и спектр выходного сигнала (б) балансного

Рис. 10.96. Схема (а) и спектр выходного сигнала (б) балансного

модулятора

В общем случае частотный модулятор — это генератор, управляемый напряжением, подаваемым на вход модулятора. Наиболее распространенный способ частотной модуляции заключается в воздействии на реактивные элементы колебательного контура, задающего частоту колебаний самовозбуждающегося LC-генератора.

Современным перестраиваемым элементом, применяющимся для этих целей, является варикап. Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость р-п-перехода которого имеет сильно выраженную зависимость от приложенного обратного напряжения.

На рис. 10.97, а приведена одна из возможных схем частотного модулятора и спектр его выходного сигнала.

В схеме транзистор VT включен по схеме с общей базой. Резисторы Rl, R2 и R3 задают режим транзистора по постоянному току. Положительная обратная связь осуществляется за счет внутренней емкости «коллектор — эмиттер» транзистора VT и емкости конденсатора СЗ. Частота генерации определяется параметрами параллельного LC-koh- тура, состоящего из индуктивности L1, емкостей варикапов VD1, VD2 и коллекторной емкости транзистора VT1. Для уменьшения паразитных реактивностей и упрощения схемы контур заземлен по постоянному току. Применение двух, включенных встречно, варикапов позволяет улучшить форму напряжения, вырабатываемого генератором, приближая ее к синусоидальной. Через резистор R4 и дроссель 12 на варикапы VD1, VD2 подается запирающее напряжение смещения Есм, которое задает рабочую точку варикапов VD 1, VD2.

Схема (а) и спектр выходного сигнала (б) частотного

Рис. 10.97. Схема (а) и спектр выходного сигнала (б) частотного

модулятора

Модулирующее напряжение l/mMsincoMt поступает на варикапы VD 1, VD2 через развязывающий конденсатор С4. Под воздействием модулирующего напряжения меняется емкость варикапов и, следовательно, частота колебаний, вырабатываемых генератором.

Известно, что связь между резонансной частотой контура и емкостью конденсатора квадратичная и определяется выражением

Следовательно, для получения линейной частотной модуляции необходимо иметь квадратичную зависимость емкости и напряжения. Обратная ветвь ВАХ многих варикапов (например, КВ-102, КВ-109, КВ-121 и др.) близка к квадратичной зависимости. Однако совпадение не является полным и практически линейную модуляцию можно получить только на небольшом участке характеристики, выбираемом при настройке модулятора индивидуально для различных экземпляров варикапов.

Фазовый модулятор. При фазовой модуляции начальная фаза |/0 получает приращение на Д|/, пропорциональное информационному сигналу uM(t).

Фазомодулированное колебание, если считать начальную фазу р0 равной нулю, можно представить в виде

где тФМ = сон/о)м — индекс фазовой модуляции.

Сравнивая выражения пфм(?) и ичм(?) для напряжений при частотной и фазовой модуляциях, можно заметить, что никаких принципиальных отличий в этих модуляциях нет. Иначе говоря, частотно- и фазо- модулированные колебания при модуляции гармоническим сигналом практически неотличимы.

Фазовый модулятор можно реализовать с помощью резонансного усилителя (а не генератора, как при частотной модуляции) с перестраиваемой емкостью колебательного контура.

Схема фазового модулятора приведена на рис. 10.98.

Несущий сигнал от задающего генератора через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT, на котором построен резонансный усилитель. Нагрузкой резонансного усилителя является колебательный контур L2C2. Параллельно емкости контура через разделительный конденсатор СЗ подключен варикап VD, управляемый источником модулирующегосигнала uM(t) = UmM sin шм?. Через резистор R1 на базу транзистора VT подается напряжение смещения Есм, которое задает режим его работы.

Схема фазового модулятора

Рис. 10.98. Схема фазового модулятора

При изменении емкости варикапа под действием информационного сигнала uM(t) происходит изменение реактивного сопротивления контура и, следовательно, изменяется сдвиг фаз между напряжением несущей uH(t) на входе усилителя и напряжением на резонансном контуре. Этот сдвиг определяется выражением

где b = 1/WqLI - w0Cl — реактивная проводимость контура; g = 1/R1 — активная проводимость контура.

Изменение емкости конденсатора на АС приводит к изменению сдвига фаз на Д|/, что и обеспечивает фазовую модуляцию.

Аналоговые модуляторы нашли широкое применение в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиоизмерительной технике.

10.2.4.7. Аналоговые ключи

Следует различать аналоговые электронные ключи, предназначенные для передачи аналогового сигнала с минимальными искажениями, и цифровые ключи, обеспечивающие формирование сигналов логических уровней. Несмотря на сходство в функциональном плане между цифровыми и аналоговыми ключами, требования к последним существенно отличаются от требований к цифровым ключам, что приводит к совершенно другим подходам при разработке аналоговых ключей.

В качестве аналоговых ключей наибольшее применение нашли ключи на основе полевых транзисторов, главным образом МОП- транзисторов. В силу своих свойств, таких (малое сопротивление в проводящем состоянии («Вкл»), крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки («Выкл»), малые токи утечки и малая емкость) они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый ключ ведет себя так же, как механический выключатель, пропуская сигнал к нагрузке без ослаблений и нелинейных искажений.

На рис. 10.99 приведены схемы аналоговых ключей на МОП- транзисторах.

На рис. 10.99, a VT — это п-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление «сток — исток», как правило, больше 10 000 МОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор положительного управляющего напряжения (обычно +15 В) приводит канал «сток — исток» в проводящее состояние с типичным сопротивлением Явкл от 25 до 100 Ом для транзисторов, предназначенных для использования в качестве аналоговых ключей.

Схема не критична к значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого RliKJl, поэтому его можно задавать от логических схем (лучше всего подходят логические уровни КМОП) или даже ОУ. Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество — возможность переключать сигналы любой полярности. Заметим, что аналоговый ключ такого типа — двунаправленное устройство, т.е. он может пропускать сигнал в обе стороны.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превышающих 10 В. При более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать транзистор в состоянии проводимости (Явкл начинает расти). Отрицательные сигналы вызовут включение при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода «канал — подложка»). Если нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным напряжением, при этом подложка должна быть подсоединена к отрицательному напряжению.

Схемы аналоговых ключей на одном МОП-транзисторе (а) и на комплементарных МОП-транзисторах (б)

Рис. 10.99. Схемы аналоговых ключей на одном МОП-транзисторе (а) и на комплементарных МОП-транзисторах (б)

Для любого ключа на полевом транзисторе важно обеспечить сопротивление нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии «Выкл», обусловленное емкостью «сток — исток» и которое имело бы место при большом сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением Квкл проводящего транзистора и сопротивлением нагрузки. Поскольку Явкл меняется с изменением входного сигнала, это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. Привлекательной альтернативой является применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю (общий провод), если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии «Выкл».

Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема (рис. 10.99, а) работать не будет, так как при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП).

На рис. 10.99, б приведена схема аналогового ключа на КМОП- транзисторах. Логический элемент НЕ на DD инвертирует сигнал управления Uy. При высоком уровне управляющего сигнала транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от потенциала земли до Еп без нескольких вольт. Транзистор VT2 пропускает сигнал с уровнями от Еп до значения на несколько вольт выше потенциала земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до Еп проходят через схему, имеющую малое сопротивление. При низком уровне управляющего сигнала Uy оба транзистора запираются и размыкают, таким образом, цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до Еп. Это основа ИМС аналогового коммутатора К561КТЗ. Как и описанные ранее ключи, эта схема работает в двух направлениях — любой ее сигнальный вывод может служить входным.

В качестве аналоговых ключей можно использовать полевые транзисторы (ПТ) с управляющим р-n-переходом, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора.

На рис. 10.100 приведены схемы аналоговых ключей на ПТ с р-п- переходом.

Напряжение затвора VT (см. рис. 10.100, а) должно быть существенно ниже потенциала земли для удержания транзистора в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере, на U0TC ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора в состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор R1 (обычно сопротивлением 1 Мом), т.е. находится под потенциалом истока.

Схемы простейшего (а) и прецезионного (б) аналоговых ключей на ПТ с р-л-переходом

Рис. 10.100. Схемы простейшего (а) и прецезионного (б) аналоговых ключей на ПТ с р-л-переходом

Прецизионный аналоговый ключ, схема которого приведена на рис. 10.100, б, свободен от недостатков простейшего ключа на ПТ с р-п-переходом. Благодаря применению ОУ можно связать исток ПТ с виртуальной землей в суммирующей точке Л инвертирующего усилителя на ОУ. Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Явкл и его нелинейности.

Схема имеет следующие достоинства:

  • а) когда VT1 включен (затвор заземлен), вся схема представляет собой инвертор с одинаковым полным сопротивлением в цепях входа и обратной связи. Это компенсирует все эффекты, связанные с конечностью и нелинейностью сопротивления включенного состояния, если транзисторы согласованы по параметру Явкл;
  • б) благодаря малости напряжения отсечки схема будет работать при управляющем сигнале от нуля до +5 В, что удобно для работы с ТТЛ уровнями. Включение в инвертирующей схеме с присоединением истока VT1 к суммирующей точке ОУ упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке VT1 во включенном состоянии. Диод VD препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом VT1 и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе.

Тот же прием компенсации применяется и для аналоговых ключей на МОП-транзисторах.

Аналоговые ключи применяются во многих областях: коммутация аналоговых сигналов в аудиотехнике; усилители с программируемыми характеристиками с цифровым управлением коэффициентом усиления; аналоговые мультиплексоры и демультиплексоры; цифро-аналоговые преобразователи; схемы выборки и хранения и др.

Отечественная и зарубежная промышленность выпускают широкую номенклатуру микросхем, предназначенных для коммутации аналоговых сигналов. В частности, отечественная промышленность выпускает аналоговые ключи серий 561 и 590, например, К561КТЗ, КР590КН9.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >