Элементы высокочастотных схем
В радиочастотных (ВЧ) схемах используются специализированные модули нескольких видов, которые не имеют эквивалентов в низкочастотных схемах. Рассмотрим некоторые элементы высокочастотных схем, широко используемые для генерации и детектирования радиочастотных сигналов.
Генераторы
Если высокая стабильность не важна, то простой LC-генератор можно успешно применить для получения радиочастотных сигналов с регулировкой частоты в диапазоне октавы и более путем варьирования либо емкости, либо индуктивности (в последнем случае его иногда называют генератором с изменяемой индуктивностью).
Если тщательно спроектировать генератор и внимательно отнестись к деталям конструкции, можно создать генераторы переменной частоты (ГПЧ), у которых дрейф за несколько часов составит менее нескольких миллионных. Такие генераторы полностью удовлетворяют всем требованиям при использовании в приемниках и некритичных передатчиках. LC-генераторы могут работать в диапазоне от звуковых частот до сотен мегагерц.
Так же как и усилительные модули, легкодоступны герметизированные модули генераторов с прекрасными параметрами. В модулях настраиваемых генераторов для управления рабочей частотой от внешнего постоянного напряжения используются варикапы (диоды с емкостью, зависящей от напряжения). В любительском варианте перестраиваемого генератора для частот в области гигагерц в качестве магнитно настраиваемой в резонанс полости используется сфера из железоиттриевого граната (YIG-ЖИГ).
ЖИГ-перестраиваемые генераторы обеспечивают высокую спектральную чистоту и линейность настройки. В последнее время при изготовлении недорогих генераторов, обладающих хорошей стабильностью в области гигагерц, используют резонатор в виде диэлектрического шарика, который служит элементом обратной связи для генераторов на полевых транзисторах из GaAs (или биполярных транзисторах). Генераторы с такой «диэлектрической» стабилизацией просты, стабильны и имеют низкий уровень шума.
Высокой стабильностью обладают генераторы, в которых для установки рабочей частоты используются кристаллы кварца. Различные кристаллические резонаторы, свойства которых определяются условиями выращивания, могут обеспечить стабильность порядка 10-6 с температурным коэффициентом около 10 -6 град -1. Температурностабильный кварцевый генератор (ТСКГ), в котором для компенсации сдвига частоты колебаний кристалла используется конденсатор с известным температурным коэффициентом, обеспечивает стабильность частоты порядка 10-6 в области температур от 0 до + 50°С и больше.
Предельными параметрами обладают генераторы, у которых кристалл термостатируется. Стабильность по времени и температуре у них достигает приблизительно 10-12. Даже в так называемых атомных стандартах частоты (цезий, рубидий) фактически используют кварц в качестве основного осциллирующего элемента, причем его частота при необходимости регулируется для совмещения с собственными частотами атомных переходов.
Генераторы на кристаллических резонаторах, выпускаемые промышленностью, охватывают область частот от 10 кГц до 100 МГц, т. е. весь диапазон, о котором здесь упоминалось. Имеются даже генераторы в малых корпусах DIP (двухрядные корпуса ИМС) и в корпусах транзисторов типа ТО-5 с логическими выходами. Для кварцованных генераторов возможна лишь незначительная электрическая перестройка, поэтому при заказе генератора или кристаллического резонатора необходимо указывать частоту.
Если требуется одновременно и возможность перестройки, и высокая стабильность, то лучше использовать синтезатор частот. Если приложить некоторые усилия, то он будет генерировать любую нужную частоту при единственном опорном источнике стабильной частоты, обычно кварцевом резонаторе на 10 МГц. Синтезатор, управляемый от рубидиевого эталонного элемента (стабильностью ≈10-12), является превосходным источником сигналов.
Смесители/модуляторы
Схемы, которые формируют на своем выходе произведение двух входных аналоговых сигналов, широко используются в радиотехнике и называются модулятором, смесителем, синхронным детектором или фазовым детектором. Простейшей формой модуляции является амплитудная модуляция (AM), при которой несущий сигнал высокой частоты изменяется по амплитуде в соответствии с медленно меняющимся модулирующим сигналом. Перемножитель сигналов, очевидно, выполняет при этом свою прямую функцию. С помощью таких схем можно и управлять коэффициентом усиления, если на один из входов подавать управляющее постоянное напряжение. Для этой цели применимы некоторые ИМС, например MC1495 и MC1496.
Смесители — это схемы, которые, имея на входах два сигнала, формируют на выходе сигнал суммы или разности частот этих сигналов. Из тригонометрического уравнения
Видно, что четырехквадратный перемножитель — устройство, выполняющее функцию умножения двух входных сигналов любой полярности, — фактически является смесителем. Если подать на его вход два сигнала с частотами f1 и f2, то на выходе появятся сигналы с частотами, равными f1+ f2 и f1— f2. Смеситель, на один вход которого подается сигнал частотой fо, а на другой -сигнал с полосой, расположенной вблизи нулевой частоты (полоса, ограниченная частотой fмакс), будет формировать на выходе сигналы с полосой частот, симметричной относительно fо, меняющиеся от fо – fмакс до fо + fмакс.
Нет необходимости формировать точное аналоговое произведение для смешения двух сигналов. Фактически при любой нелинейной комбинации двух сигналов будет получаться сумма и разность частот. Возьмем, например, квадратичное нелинейное преобразование суммы двух сигналов:
Этот вид нелинейности можно получить (грубо), если два небольших сигнала подавать на прямосмещенный диод. Заметим, что при этом мы наряду с суммой и разностью частот получим и высшие гармоники отдельных сигналов. «Балансным смесителем» называют схему, у которой на выходе формируются только сумма и разность частот, а входные сигналы и их гармоники на выход не проходят. Четырехквадратный перемножитель является балансным смесителем, а нелинейный диод — нет.
Для построения смесителей используют:
а) просто нелинейные свойства транзисторов или диодов, обычно диодов Шоттки;
б) полевые транзисторы с двумя затворами, причем на каждый затвор подается один сигнал;
в) ИМС аналоговых перемножителей типа MC1495, MC1496, SL640 или AD630;
г) балансные смесители на трансформаторах и диодных матрицах (выпускаются обычно в виде герметизированных модулей под названием «смесители с двойной балансировкой»).
Типичными примерами последних являются распространенные смесители с двойной балансировкой серий MI фирмы Watkins-Johnson, работающие в области частот до 4000 МГц с разделением сигнала от 20 до 50 дБ, или дешевый смеситель (1-500 МГц) SBL-1 Mini-Circuits Lab. Смесители широко используются для генерации радиочастотных сигналов с произвольной частотой. В них допускается сдвиг сигнала вверх или вниз по частоте без изменения его спектра. Кратко опишем их работу.
Из уравнений, приведенных выше, видно, что простой квадратичный смеситель формирует на выходе сигналы одинаковой амплитуды, как для суммы, так и для разности частот. В связи (т. е. супергетеродинный радиоприемник), где смесители часто используют для сдвига частотной полосы, иногда требуется подавить один из этих выходных сигналов смесителя.
Умножители частоты
Для генерации сигналов с частотой, кратной входному сигналу, часто применяют нелинейные схемы. Это особенно удобно, если требуется получить очень стабильный высокочастотный сигнал с частотой, превышающей область хороших кварцевых генераторов. Самый распространенный метод — сместить усилительный каскад в область сильной нелинейности, а затем использовать на выходе LC-контур, настраиваемый на частоту, кратную входному сигналу.
Это можно осуществить, применив биполярные транзисторы, ПТ и даже туннельные диоды. Перемножители типа 1496 на низких частотах могут использоваться как эффективные удвоители, если подать входной сигнал на оба входа и таким образом получить квадрат входного напряжения. Квадрат синусоидальной волны содержит только частоту второй гармоники. Выпускаются и модули удвоителей частоты, в которых использованы балансные смесители. Они весьма широкополосны (например, FD25 принимают сигналы с частотами от 5 до 2400 МГц), так как хорошо подавляют как входную частоту («основную»), так и нежелательные гармоники (обычно 30 дБ).
В качестве умножителей используются и такие экзотические приборы, как SNAP-диоды и варикапы. Схемы умножителей частоты должны иметь на выходе настраиваемый контур или же после них должны следовать резонансные усилители, так как обычно в нелинейных схемах генерируется много гармоник входного сигнала.
Аттенюаторы, волноводные тройники, циркуляторы
Существует несколько весьма полезных пассивных устройств, служащих для управления амплитудой и направлением сигналов ВЧ, проходящих между схемными модулями. Все они являются компонентами широкополосных линий передач (или волноводов) и должны вставляться в линии с постоянным сопротивлением, обычно равным 50 Ом. Эти устройства в большом количестве выпускаются в виде модулей.
Волноводные тройники (также известные как «разгоны», магические Т, 3-дБ ответвители, равносторонние или ИЗО-Т) — искусно построенная линия передачи с 4 портами (входами-выходами). Сигнал, подаваемый на любой порт, на двух ближайших портах имеет определенный сдвиг фаз (обычно 0 или 180°). Ответвитель, у которого один порт нагружен на волновое сопротивление, называется 3-портовым «разветвителем (собирателем) мощности».
Чтобы сделать разветвитель/собиратель многопортовым, его строят каскадами. Ближайшим родственником ответвителей является устройство связи направленного действия — трехпортовый прибор, в котором небольшая часть проходящей на выход волны ответвляется в третий порт. В идеальном случае на третьем порту нет выхода для волны, идущей в противоположном направлении.
Самыми волшебными свойствами в этой главной группе устройств обладают циркуляторы и вентили-разделители. Благодаря использованию экзотических ферритовых материалов и магнитных полей в них достигается невозможное — передача волны только в одном направлении. Вентиль-разделитель имеет два порта и допускает передачу только в одном направлении. Циркуляторы имеют три или более портов, и они передают входящий на каком-либо порту сигнал только к следующему в ряду порту.
Фильтры
При конструировании радиочастотных схем часто бывает необходима частотная избирательность. Хорошим примером избирательной системы может служить простой настраиваемый LC-усилитель, у которого острота пика характеристики определяется добротностью Q контура LC. Эта добротность зависит от потерь в индуктивности и конденсаторе, а также от нагрузки, образуемой присоединенной схемой. Сравнительно высокую добротность, достигающую нескольких сотен, получить довольно легко. На высоких частотах обычные LC-цепи заменяются полосковыми линиями, в области микроволн используются полые резонаторы, но основная идея остается той же. При необходимости резонансные схемы можно также использовать для подавления определенных частот.
Если необходимо иметь фильтр, пропускающий очень узкую полосу частот без ослабления сигнала с резкими спадами на границах полосы, то такой полосовой фильтр с превосходными свойствами можно создать, используя пьезоэлектрический (керамический или на кристалле кварца) или механический резонатор. Промышленностью выпускаются 8- и 16-полюсные кристаллические фильтры с центральной частотой в пределах от 1 до 50 МГц и шириной полосы от самой маленькой, в несколько сотен герц, до нескольких килогерц.
Эти фильтры чрезвычайно полезны для получения высокой избирательности приемников и для высококачественной генерации модулированных сигналов. Фильтры с поверхностными акустическими волнами (ПАВ) стали популярными и дешевыми недавно. Они тоже могут иметь плоскую характеристику пропускания с очень крутыми краями. Этот очень важный параметр обычно выражается в виде «фактора формы». Например, отношение ширины полосы для —3 дБ к ширине полосы для — 40 дБ может достигать величины 1,1. Чаще всего фильтры ПАВ используются в телевизионных приемниках и кабельных системах для ограничения полосы пропускания приемника.
Конечно, если не требуется такая узкая полоса пропускания, можно строить фильтры с увеличенным числом резонансных LC-секций.
Детекторы. Извлечение информации из модулированного радиочастотного сигнала основано на детектировании — процессе выделения модулирующего сигнала на фоне «несущей». В зависимости от вида модуляции (AM, ЧМ, на одной боковой полосе и др.) имеется несколько методов детектирования.
Детектирование амплитуды и мощности
Детектирование AM-сигнала является просто генерацией напряжения, пропорционального мгновенной амплитуде модулируемого ВЧ-сигнала. Во многих других применениях (радиоастрономия, лабораторные ВЧ-измерения, «нивелировка» сигналов генератора, проектирование фильтров, наблюдения и т. д.), очень важно бывает иметь возможность измерять амплитуду и мощность ВЧ-сигналов.
Выпрямление сигналов
В разделе «Примеры использования диодов» было показано как использовать простой диод для получения выходного напряжения пропорционального амплитуде сигнала, как компенсировать падение напряжения на диоде с помощью второго диода, обеспечивающего смещение порядка 0,6 В, если характеристика диода еще не имеет резкого изменения. Каждая из схем не лишена проблем.
Преимуществом простых диодных детекторов является работа в аномально широкой области частот (до ГГц, если правильно подобрать диоды). Но они нелинейны при низких уровнях сигналов. Использование диодов Шоттки (основные носители) в некоторой степени помогает, так как прямое напряжение для них ниже. Можно значительно улучшить ситуацию, если перед выпрямлением пропустить сигнал через предусилитель (это используется, например, в «детекторе уровня» усилитель/диод UTD-1000 Avantek).
Однако этот путь ограничивает динамическую область из-за насыщения усилителя (UTD-1000 имеет область 30 дБ и работает на частотах от 10 до 1000 МГц). Активный выпрямитель, наоборот, высоко линеен. Но он хорошо работает только в области относительно низких частот и совместно со схемами операционных усилителей. Можно, конечно, использовать быстродействующие ОУ, но все равно мы будем ограничены частотой 10 МГц или около этого.
Синхронное (гомодин) детектирование
Интересным методом, в котором сочетаются динамическая область, точность и быстродействие, является синхронное детектирование, также называемое «гомодинным детектированием». В этом методе выходной сигнал выпрямляется путем инвертирования во время какой-либо половины цикла.
Это, очевидно, требует чистого сигнала той же частоты, что и детектируемый сигнал, который либо подают извне, либо вырабатывают внутри с помощью системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Наконец, синхронное детектирование хорошо работает вплоть до нескольких мегагерц. Большой недостаток — это нужда в когерентном опорном сигнале.
Схема с источником тока
Другим решением проблемы диодной нелинейности является переход к управлению выпрямительной схемой с помощью тока, а не напряжения. Выход в таком случае нагружается резистивно для получения пропорционального выходного напряжения.
Хорошее осуществление этой идеи с помощью источника тока на транзисторе, управляемом напряжением, показано на следующем рисунке.
Ниже на графиках приведены характеристики этой схемы.
Работу ее можно истолковать и так: в отсутствии входного сигнала выход усилителя развязывается от выпрямительной цепи, имеющей очень высокое усиление по напряжению (из-за его нагрузки, потребляющей ток). Таким образом, чтобы открыть диод, достаточно очень небольшого входного сигнала. Здесь, усиление по напряжению падает до величины
KU = RН(Rэ + гэ)
(в данном случае, KU ≈ 3), предотвращая насыщение. Благодаря широкополосному усилителю и быстродействующему диоду, эта схема будет работать в области до 100 МГц и выше.
Диодная компенсация пост-детектированием
Фирма Hewlett-Packard (HP Journal, 10/80) поставляет схемы, показанные на рисунке, в которых так умно используют согласованные диоды Шоттки, что на каждый диод поступает один и тот же сигнал.
Поскольку операционные усилители работают на выпрямленных (низкочастотных) сигналах, ширина полосы ограничивается только диодной цепью. Проектировщики этой схемы заслуживают высокой похвалы (они, можно сказать, «трижды молодцы»).
Детекторы с амплитудным слежением
На следующем рисунке продемонстрирована другая хорошая идея.
Устранение диодных нелинейностей и смещений осуществляют, используя локально генерируемый сигнал, выпрямленный в симметричной схеме. Это сводит на нет неизвестный ток. Обратная связь регулирует амплитуду локального низкочастотного сигнала, делая сбалансированными выпрямленные выходы. Частота сигнала, формирующего нуль, достаточно низка так, что его амплитуда может быть точно измерена с помощью прецизионного выпрямителя на ОУ. При хорошем исполнении эти схемы будут работать линейно с сигналами в несколько милливольт и при частоте вплоть до гигагерц.
Детектирование мощности
Все вышеописанные методы касаются измерений амплитуды высокочастотного сигнала. Но часто бывает, когда нужно реально знать величину мощности. Конечно, для синусоидальной волны имеется простое соотношение, связывающее две величины,
Р = U2 ср.кв./Rн,
т.е. по измеренной амплитуде мы можем рассчитать мощность. Однако, для волны несинусоидальной формы правильное измерение мощности может быть сделано только усреднением квадрата фактической формы сигнала напряжения. В языке радиочастотных измерений это означает, что нам необходим «квадратичный детектор».
Существуют некоторые пригодные для этого цифровые методы. Для сигналов с частотой ниже средних хорошо использовать «функциональные модули», например, монолитный преобразователь среднеквадратичного напряжения в постоянное AD637 Analog Devices. В этих устройствах экспоненциальная характеристика диода в цепи обратной связи используется для формирования квадрата входного сигнала, который затем проходит через низкочастотный фильтр и поступает на аналоговую схему, извлекающую квадратный корень. Схема характеризуется прекрасной линейностью, динамической областью и хорошей шириной полосы. Например, AD637 имеет полную ширину полосы 8 МГц, нелинейность 0,02% и динамическую область 60 дБ. У него даже есть логарифмический (дБ) выход.
При частотах выше нескольких мегагерц методы «квадрат/квадратный корень» преобразования среднеквадратичного сигнала не работают из-за неадекватности полосы в цепи операционного усилителя. Однако можно использовать другие методы.
На рисунке представлена простая схема квадратичного детектора с обращенным диодом, который есть не что иное, как туннельный диод, используемый в нетуннельном направлении (где он имеет нулевое прямое падение напряжения).
В значительной мере эта квадратичная техника произошла от болометрических методов, где входной сигнал (предварительно усиленный) подается на мощный омический нагреватель, температура которого затем измеряется. Поскольку мощность нагревателя точно пропорциональна U2, этот метод является чисто квадратичным.
Примером болометрического модуля может служить LT1088 Linear Technology. В нем согласованная пара омических нагревателей связана с согласованной парой диодов, измеряющих температуру. Входной сигнал подается на один из нагревателей, а обратная связь подключается к опорному нагревателю, диод которого находится при той же температуре. Управляющее напряжение опорного нагревателя является выходным напряжением.
