Амплитудный детектор с отрицательной обратной связью

Суббота , 12, Октябрь 2019 Leave a comment

Предлагаемое построение высококачественного амплитудного детектора стало результатом некоторой переработки схемы двухтактного усилителя класса B. Благодаря введению глубокой отрицательной обратной связи (ООС) и достигнутой благодаря этому высокой линейности амплитудный детектор показал крайне низкий уровень вносимых им нелинейных искажений.

     Введение

Характерное для двухтактного усилителя класса B раздельное усиление положительной и отрицательной полуволн входного сигнала производится двумя «плечами» усилителя по очереди, после чего усиленные половинки суммируются на подключенной к выходу нагрузке. Работу такого усилителя иллюстрируют схема на рис.1а и диаграмма на рис.1б:

Рис.1. Двухтактный усилитель класса B:
а — принципиальная схема усилителя с указанием направления токов в транзисторах;
б — сигнал на входе (бирюзовый), ток в транзисторе VT1 (красный), ток в транзисторе VT2 (синий), сигнал на нагрузочном резисторе (фиолетовый).

В схеме усилителя на рис.1а обращают на себя внимание направление и форма тока в транзисторах. Очевидно, что каждое из транзисторных плеч двухтактного усилителя класса B работает как детектор огибающей (envelop detector) входного сигнала: транзистор VT1 его положительных полуволн, а транзистор VT2 – отрицательных.

Идея высококачественного амплитудного детектора состоит в том, чтобы использовать ток в одном из транзисторных плеч усилителя класса B как выходной сигнал детектора, а для повышения его линейности и уменьшения искажений подать в цепь глубокой отрицательной обратной связи восстановленный на нагрузке полный сигнал.

     Схема амплитудного детектора с ООС

На рис.2 представлена электрическая принципиальная схема амплитудного детектора с отрицательной обратной связью:

Рис.2. Схема амплитудного детектора с ООС.

На схеме легко узнаваема одна из разновидностей двухтактного усилителя класса B. Составные транзисторы его плеч выполнены на транзисторах различной проводимости, соединённых по комплементарной схеме Дарлингтона [1]. Резистор R11 выполняет функцию нагрузки усилителя. От классических схем двухтактного усилителя класса B эту схему отличают резисторы R9 и R10, сопротивление которых выбрано равным сопротивлению нагрузки усилителя R11. Именно на резисторах R9 и R10 соответственно положительная и отрицательная полуволны переменного тока в нагрузке создают такое же по форме напряжение сигнала, которое и является выходным сигналом амплитудного детектора.

Входной сигнал подаётся в точку XT1 и далее через конденсаторы C2 и C3 поступает на базы правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2. Левые по схеме транзисторы этих сборок включены как диоды и служат для установки некоторого небольшого начального тока смещения правых транзисторов, а также его термостабилизации в виду идентичности характеристик транзисторов, в том числе температурных, в составе транзисторной сборки. Пары транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2 таким образом включены по схеме «токовое зеркало» [2], поэтому начальный ток смещения правых по схеме транзисторов будет практически таким же, что и ток в левых, независимо от температуры окружающей среды. Ток через левые по схеме транзисторы транзисторных сборок задаётся схемой регулируемого источника опорного напряжения на микросхеме D1 и резисторами R5 и R6, включенными последовательно с этими транзисторами.

Отрегулировать начальный ток смещения можно резистором R2. Для того, чтобы такой двухтактный усилитель класса B работал как высокочувствительный амплитудный детектор с малыми искажениями, начальный ток смещения правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2 необходимо установить таким, чтобы транзисторы VT3 и VT4 при отсутствии сигнала были близки к открытию, но всё же оставались закрытыми во всём диапазоне рабочих температур. То есть ток в транзисторах VT3 и VT4 должен либо не превышать единиц микроампер, либо вообще отсутствовать. Проверяется это либо по напряжению на резисторе R10, либо по току микроамперметра, включенного вместо этого резистора или резистора R9.

     Тестирование амплитудного детектора с ООС на реальном сигнале

Чтобы проверить качество работы такого амплитудного детектора, а также повторяемость его характеристик, по приведенной на рис.2 схеме были изготовлены четыре модуля на двухсторонних печатных платах с установленными на них элементами поверхностного монтажа, как показано на фото 1:

Фото 1. Четыре модуля амплитудного детектора с ООС.

Схема включения модуля амплитудного детектора и подключения измерительных приборов приведена на рис.3:

Рис.3. Схема проведения измерений при определении характеристик амплитудного детектора с ООС.

В качестве источника высокочастотного сигнала использовался ВЧ-генератор Г4-158. Высококачественный амплитудный модулятор этого генератора обеспечивает формирование амплитудно-модулированного сигнала с коэффициентом нелинейных искажений не более 1%.

Синусоидальный сигнал звуковой частоты на вход АМ-модулятора генератора Г4-158 подавался с внешнего генератора сигналов низкой частоты Г3-118, который также отличается качеством выходного сигнала с очень низким уровнем нелинейных искажений.

Уровень высокочастотного сигнала на входе амплитудного детектора контролировался милливольтметром Ф5303.

Выходной сигнал амплитудного детектора с резистора R10 (контакт XT4) поступал на пассивный RLC-фильтр нижних частот 2-го порядка (Бесселя) с частотой среза около 11 кГц. Низкочастотный сигнал с выхода фильтра усиливался затем усилителем на операционном усилителе OPA134PA. Уровень вносимых таким ОУ нелинейных искажений также очень мал, коэффициент нелинейных искажений не превышает 0,005%.

Уже к выходу усилителя подключались либо автоматический измеритель нелинейных искажений С6-11, либо осциллограф С1-79, либо цифровой вольтметр В7-34.

Тестирование амплитудного детектора проводилось амплитудно-модулированным сигналом с частотой несущей 465 кГц (стандартная промежуточная частота советских радиоприёмников), частотой модулирующего сигнала (огибающей) равной 1кГц и глубиной модуляции 30%. Работу амплитудного детектора иллюстрируют осциллограммы на фото 2 и фото 3.

На фото 2 приведены осциллограммы сигнала на выходе XT4 при среднеквадратичном напряжении сигнала на входе 0,6 В (а) и 0,04 В (б) и отсутствии модуляции:

Фото 2. Сигнал на выходе амплитудного детектора (точка XT4):
а) Uвх. = 600 мВ (RMS), 200 мВ/дел.;
б) Uвх. = 40 мВ (RMS), 20 мВ/дел.

На фото 3 показана осциллограмма выходного сигнала при подаче на вход амплитудного детектора амплитудно-модулированного сигнала с уровнем несущей 0,5 В (RMS) и глубиной модуляции 30%:

Фото 3. АМ-сигнал после демодуляции амплитудным детектором, 200мВ/дел.

Продукт фильтрации RLC-фильтром нижних частот сигнала с выхода амплитудного детектора состоит из некоторой постоянной составляющей и переменного сигнала звуковой частоты. Величина постоянной составляющей пропорциональна амплитуде несущей входного амплитудно-модулированного сигнала, а сигнал звуковой частоты соответствует огибающей этого сигнала. Усилитель, подключенный к выходу фильтра нижних частот, усиливал обе эти составляющие.

     Технические характеристики амплитудного детектора с ООС

Проверка работы амплитудного детектора и измерение его характеристик проводилось, как уже было сказано выше, при подаче на вход детектора XT1 амплитудно-модулированного сигнала с частотой несущей 465 кГц, синусоидальной огибающей частотой 1 кГц и глубиной модуляции 30%. Коэффициент нелинейных искажений демодулированного сигнала измерялся при различных уровнях АМ-сигнала на входе амплитудного детектора.

Результаты измерений для всех четырёх модулей амплитудного детектора с ООС получились следующими:

            Таблица 1

ПараметрУровень АМ-сигнала на входе (RMS)
10 мВ30 мВ100 мВ500 мВ
Уровень выходного НЧ-сигнала (RMS)0,47 мВ2,16 мВ8,24 мВ45,0 мВ
Коэффициент нелинейных искажений, не более1,60%2,00 %0,70 %0,43 %

Указанный уровень демодулированного сигнала звуковой частоты приведен ко входу оконечного усилителя измерительной схемы, представленной на рис. 3. Коэффициент усиления этого усилителя устанавливался равным 51 при малом сигнале (до 150 мВ) и равным 6 при большом (свыше 150 мВ).

Зависимость коэффициента нелинейных искажений от уровня входного сигнала при одной и той же глубине модуляции представлена диаграммой на рис.4. И эта зависимость имеет ярко выраженный максимум при входном сигнале около 20 мВ.

Рис.4. Зависимость коэффициента нелинейных искажений
от уровня несущей при глубине модуляции 30%.

С целью объяснить такое поведение амплитудного детектора была построена его передаточная характеристика как зависимость постоянного напряжения на выходе пассивного RLC-фильтра нижних частот (см. схему на рис.3) от амплитуды немодулированного сигнала на входе детектора. Эта зависимость в упрощённом виде, то есть без привязки к конкретным значениям, приведена на рис.5.

Рис.5. Передаточная характеристика амплитудного детектора с ООС.

Передаточная характеристика на диаграмме представлена голубой линией. Интервал значений входного напряжения, на котором передаточная характеристика практически линейна, начинается с 20 мВ (RMS) и простирается до (RMS). На этом интервале входных напряжений была построена аппроксимирующая прямая (красная линия на диаграмме). Аппроксимирующая прямая была построена методом наименьших квадратов, среднеквадратичное отклонение прямой от снятой по приборам характеристики у всех четырёх изготовленных модулей амплитудного детектора с ООС не превышало 0,0055 или 0,55%. Это значение вполне соотносится с приведенными в табл.1 результатами измерений коэффициента нелинейных искажений. Такое малое значение среднеквадратичного отклонения в таком широком диапазоне входных напряжений подтверждает высокую линейность амплитудного детектора  с глубокой отрицательной обратной связью .

Если сопоставить показанную на рис.5 передаточную характеристику амплитудного детектора с приведенной на рис.4 зависимостью, то для ярко выраженного максимума коэффициента нелинейных искажений при уровне входного сигнала около 20 мВ очевидным становится следующее объяснение. Поскольку у передаточной характеристики амплитудного детектора заканчивается её нелинейный участок и начинается линейный при достижении уровня несущей 20 мВ, то здесь верхняя полуволна огибающей амплитудно-модулированного сигнала «проецируется» в выходной сигнал линейным участком передаточной характеристики, а нижняя – нелинейным. Из-за такой асимметрии в выходном сигнале вырастает уровень чётных гармоник, что в совокупности с нечётными гармониками и приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений. При уровне несущей выше 50 мВ и глубине модуляции до 50% нелинейный участок передаточной характеристики никак не затрагивает огибающую и детектирование происходит на линейном участке, соответственно нелинейные искажения уменьшаются.

     Где в схеме отрицательная обратная связь

Отрицательную обратную связью в амплитудном детекторе и по совместительству двухтактном усилителе класса B, схема которого представлена на рис.2, создаёт подача сигнала с точки соединения коллекторов транзисторов VT3 и VT4 и резистора R11 в эмиттеры правых по схеме транзисторов транзисторных сборок VT1 и VT2. Поскольку весь восстановленный на нагрузке (резистор R11) сигнал подается в эмиттеры указанных транзисторов входного каскада, то отрицательная обратная связь в данном случае является 100-процентной и двухтактный усилитель класса B работает как повторитель напряжения входного сигнала.

Отрицательная обратная связь имеет смысл лишь когда коэффициент петлевого усиления в охваченном отрицательной обратной связью усилителе много больше единицы [3]. Чтобы проверить коэффициент петлевого усиления в нашей схеме разорвём цепь отрицательной обратной связи как показано на рис.6:

Рис.6. Разрыв цепи отрицательной обратной связи для измерения петлевого усиления.

В данном случае цепь отрицательной обратной связи оказывается разорванной по переменной составляющей (конденсатор C блокирует попадание сигнала в эмиттеры входных транзисторов), но оставлена по постоянной составляющей (резистор R) чтобы не нарушать режим работы транзисторов. Теперь чтобы определить  коэффициент петлевого усиления достаточно измерить коэффициент усиления по напряжению усилителя с разорванной ООС. Для этого на вход схемы был подан очень малый сигнал и был измерен сигнал на выходе двухтактного усилителя класса B (на резисторе R11). Значение коэффициента во всех случаях было больше 100, что и является глубиной обратной связи в представленном амплитудном детекторе.

     Заключение

В заключение необходимо отметить, что нелинейные искажения, вносимые представленным здесь амплитудным детектором с отрицательной обратной связью, возможно, ещё меньше, чем были измерены измерительными приборами. Ведь измеренные значения коэффициента нелинейных искажений и среднеквадратичное отклонение аппроксимирующей прямой от передаточной характеристики оказались в несколько раз меньше значений максимальной погрешности использованных измерительных приборов, указанных в прилагаемой к ним технической документации.

Литература:

  1. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.44;
  2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.42;
  3. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982., стр.72.