Для узкополосной ЧМ (индекс U частота

модуляции т<1) имеется толь- Рис. 13.30. Спектр широкополосной ЧМ. ко по одной боковой с каждой

стороны от несущей частоты. Внешне это похоже на спектр AM, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.

> В СССР диапазон ЧМ (ультракоротких воли - УКВ) от 65 до 74 МГц.- Прим.

> Имеется в снду зона, в которой возможен прит &аннон сганцнн,- Прим. ред.

апазон УКВ) \ тогда как AM используют в полосе 0,06-30 МГц радиовещательного диапазона. Тот, у кого есть настраиваемый ЧМ-приемник, вероятно, обратил внимание на успокоение фонового шума при ЧМ-приеме. Это свойство (возрастание отношения С/Ш или увеличение С/Ш канала) и делает широкополосную ЧМ предпочтительнее AM для высококачественных передач.

Еще о ЧМ; если девиация частоты kf{t)l2n велика по сравнению с Модулирующей частотой (в f{t) сохранены самые верхние частоты], вы имеете широкополосную ЧМ , как в УКВ радиовещательном диапазоне. Индекс модуляции т^, равный отношению девиации частоты к модулирующей частоте, в этом случае больше единицы. Широкополосная ЧМ предлочтительнее, так как при правильных условиях приема СУШ возрастает на 6 дБ при каждом удвоении девиации ЧМ. Правда, при этом увеличивается ширина полосы канала, поскольку сигнал прн широкополосной ЧМ занимает приблизительно 2/дев, где /дев есть максимальное отклонение несущей частоты. ЧМ-радиовещание в полосе 88-108 МГц использует максимальное отклонение/д^=±75 кГц, т. е. каждая станция занимает полосу около 150 кГц. Этим объясняется, почему широкополосная ЧМ не используется, например, в АМ-ди-апазоне средних волн (0,06-30 МГц): в этом случае во всем диапазоне могли бы работать только шесть станций данной радиовещательной зоны 2

Спектр ЧМ. Спектр несущего колебания, частотно-модулированного синусоидальной волной, подобен приведенному на рис. 13.30. Многочисленные боковые частоты отстоят от несущей частоты на расстояниях, кратных модулирующей частоте, а их амплитуды определяются функциями Бесселя. Число значащих боковых полос, грубо говоря, соответствует индексу модуляции

306 Гушва 13

Генерация и детектирование. ЧМ легко получается при изменении параметров элементов настраиваемого контура генератора; варикап (диод, используемый как емкость, управляемая напряжением) здесь идеален. Другие методы включают в себя интегрирование модулирующего сигнала с последующей фазовой модуляцией. В каждом случае лучше вести модуляцию при малых отклоненияха затем применить умножение частоты, чтобы увеличить индекс модуляции. Это основано на том, что скорость отклонения частоты не меняется при умножении частоты, в то время как значение самого отклонения умножается вместе с несущей частотой.

Для детектирования используют обычный супергетеродинный приемник с двумя особенностями. Первая - это наличие ограничителя в оконечном каскаде усиления ПЧ, на этом этапе амплитуда постоянна (насыщение). Вторая - следующий за ограничителем детектор (называемый дискриминатором) должен преобразовывать отклонения частоты в амплитуду. Приведем несколько распространенных методов детектирования:

1. Детектор наклона - это всего лишь параллельный контур lc, настроенный со сдвигом в одну сторону по отношению к промежуточной частоте; в результате у него получается нарастающая кривая чувствительности в зависимости от частоты во всей полосе ПЧ; при этом ЧМ преобразуется в AM, а обычный детектор преобразует потом AM в звуковые частоты. В улучшенных детекторах наклона используется сбалансированная пара LC-цепей, настроенных симметрично относительно центральной ПЧ.

2. Детектор Foster - Seely или его вариант детектор отношений состоит из одного резонансного контура, подключенного к дьявольски хитроумному диодному устройству для получения на выходе линейной зависимости амплитуды от частоты во всей полосе пропускания ПЧ. Такие дискриминаторы лучше простых детекторов наклона (рис. 13.31, а).

3. Фгзовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Это устройство изменяет частоту внутреннего генератора, управляемого напряжением, так, чтобы согласовать ее с частотой выходного сигнала; онЪ было описано в разд. 9.33. Если на входе его действует сигнал ПЧ, то управляющее генератором напряжение в контуре ФАПЧ линейно зависит от частоты входного сигнала, т. е. его можно использовать как выход звуковой частоты.

3. Усредняющая схема, в которой сигнал ПЧ преобразуется в последовательность идентичных импульсов,имеющих частоту входного сигнала. В результатеусредненияэтой последовательности импульсов на выходе вырабатывается сигнал, пропорциональный ПЧ, т. е. звуковому сигналу, сложенному с некоторой постоянной составляющей.

> и соответственно на низкой частоте. - Прим. ред. 2 Дробный детектор. - Прим. ред.

5. Балансный квадратурный детектор является комбинацией фазового детектора (см. разд. 9.29 и 9.33) и фазосдвигающей цепи. Сигнал ПЧ пропускается через контур, в котором сдвиг фазы меняется линейно с частотой в полосе пропускания ПЧ (LC-цепи прекрасно

Выход ЗВШОЙ Т Тчастоты

ВЧ-дроссель

10,7 МГЦ ПЧ

22 мкГ

балансный смеситель [фазовый детектор)

Выход звуковой частоты

0,01 мкФ ф

6

3,9 кОм

100 пФ

Рис. 13.31. ЧМ-дискриминаторы.

а - дробный детектор; б - балансный квадратурный детектор.

выполняют эти функции). Сдвинутый по фазе и первичный сигналы подаются на фазовый детектор, на выходе которого сигнал изменяется пропорционально относительному сдвигу фаз. Этот выход и является искомым звуковым сигналом (рис. 13.31,6).

Часто указывают, что ЧМ, если канал имеет достаточное отношение С/Ш, обеспечивает прием с существенно меньшими шумами по сравнению с AM, где помехи мало уменьшаются с ростом мощности сигнала Напомним, что это становится ощутимым, если ЧМ-снгналы

1 При AM улучшение С/Ш при повышении уровня сигнала возникает за счет автоматической регулировки усиления.- Прим. ред.

13.19. Схемы импульсной модуляции

Имеется несколько методов передачи аналогового сигнала в виде импульсов. Основной принцип, на котором основана дискретная передача аналогового сигнала, выражен в теореме о выборке Шеннона. Согласно этой теореме, форма сигнала с ограниченным спектром полностью описывается выборкой его амплитуд, производимой со скоростью, ,свной удвоенной максимальной частоте сигнала. Таким образом, можно передавать значения амплитуды сигнала (цифровым или другим способом) только в моменты времени, разделенные интервалами 1/2/ах непрерывной модуляции. Несколько методов импульсной модуляции показаны на рис. 13.32.

В амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) последовательность импульсов с амплитудами, пропорциональными сигналу, передается через регулярные промежутки времени. Эта схема полезна для временного разделения нескольких сигналов при передаче их по одному каналу связи, так как время между выборками может быть использовано для передачи выборки другого сигнала (конечно, при увеличении полосы пропускания). При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ширина (длительность) импульса постоянной амплитуды пропорциональна мгновенной амплитуде сигнала. ШИМ легко декодируется простым

ограничиваются по амплитуде перед детектированием. В этом случае система становится относительно нечувствительной к интерферирующим сигналам и шумам, которые проявляются как изменения амплитуды, накладываемые на передаваемый сигнал.

13.18. Частотная манипуляция

Передача цифровых сигналов (радиотелетайп, RTTY) обычно осуществляется посредством сдвига по частоте непрерывного несущего сигнала в промежутке между двумя близкорасположенными частотами, соответствующими передаваемым 1 и 0; сдвиг на 850 Гц является типичным значением. Применение частотной манипуляции, ъ отличие от модуляции типа включен - выключен, чрезвычайно эффективно при большом затухании сигнала, вызываемом изменением условий распространения (радиоволн). Для демодуляции при частотной манипуляции обычно используется дифференциальный усилитель, имеющий на выходах пару фильтров, настроенных на две детектируемые звуковые частоты. Частотную манипуляцию можно представить как цифровую ЧМ. Узкий сдвиг следует применять, чтобы не допустить селективное затухание между двумя частотами сигнала. Однако этот сдвиг не может быть меньше, чем информационная полоса пропускания, необходимая для самого переключаемого сигнала, т. е. меньше скорости передачи в бодах (число битов в секунду), или приблизительно 100 Гц для обычного радиотелетайпа.

Л

и

ПППППП (1 п п п п

шим

усреднением. В фазово-импульсной модуляции (ФИМ) импульсы постоянной длительности и амплитуды либо задерживаются, либо даются с опережением относительно регулярных меток в соответствии с амплитудой сигнала.

Кодово-импульсная модуля- г-\-сигнад

ция, И накоггц, в кодово-импульсной модуляции (КИМ) мгновенная амплитуда сигнала преобразуется в двоичное . число и передается как последовательность битов. На рисунке использован двоичный 4-битовый смещенный код, .соответствующий 16-уровневому кван-тованию. КИМ превосходна, когда нужно осуществить передачу, свобод-\ную от ошибок, через каналы с - шу-;мами. Поскольку ряд единиц и нулей рложно однозначно восстановить в виде [правильного цифрового кода, то может быть восстановлена и реплика ервичного сигнала. КИМ практиче-жи полезна в системах с ретрансля-цей, как, например, в трансконти-[ентальных телефонных каналах, где игнал должен пооходить через боль-[ое число станций и усиливаться на :м пути, в любой схеме с линей-ой модуляцией (AM, ЧМ, SSB) нельзя бавиться отшумов, накапливаемых ри прохождении, а в КИМ цифровой д можно восстанавливать на каж-;Дой станции. Таким образом, на каж-дой станции сигнал как бы посылается заново.

\., Имеются и другие варианты КИМ (известные как кодируемые КИМ), в которых для кодирования квантованных выборок использу-;Ются другие методы в отличие от простой двоичной последовательности; Например, в приведенном примере можно было использовать передачу Е>дного из 16 тонов. Благодаря отсутствию искажений КИМ обычно пользуется в телеметрии для передачи изображений с космических раблей. В любом применении КИМ скорость передачи бита должна дбираться достаточно низкой, чтобы быть уверенным в малой ве-ятности ошибки при опознавании бита. Обычно это ограничивает юрость передачи по данному каналу по сравнению с прямой аналого-й модуляцией.

И

-ФИМ

тгт

II и II

I I II Г! II

-КИМ

Рис. 13.32. Виды импульсной модуляции.

310 Глава 13

~~ ..... - - ------- - - -.........-

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАДИОЧАСТОТНЫХ СХЕМ

В этом разделе сделана попытка лучше осветить некоторые принципы и методы ВЧ-схемотехники. Здесь нет возможности подробно рассмотреть вопросы проектирования и конструирования схем, как это делалось в других главах, и это не является целью книги, представляющей собой лишь общее введение в электронику. Придерживаясь этой позиции, мы хотели бы рассказать о некоторых идеях, которыми обычно руководствуются при построении ВЧ-схем. Главным образом они направлены на уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей и освоение схем, размеры которых сравнимы с длиной волны. Не будем пытаться слить эти идеи в связную методологию; рассмотрим лишь некоторые общие приемы.

13.20. Специальные методы конструирования

ВЧ- дроссели (небольшие индуктивности - от микрогенри до миллигенри) широко используют в качестве элементов, блокирующих сигнал. Обычно напряжение питания должно подаваться на клеммы корпуса, в котором размещены экранированные проходные конденсаторы (параллельный отвод на землю в сочетании с механическими зажимами на противоположных концах), и на ВЧ-дроссель, соединенные последовательно. Отличие состоит в применении ферритовых шайб на выводах транзисторов, ПТ и пр. Их использование связано с тем, что ВЧ-схемы могут генерировать паразитные колебания, вызываемые паразитными резонансными контурами СВЧ-диапазона, образуемыми самой проводкой. Нанизывание в разных местах нескольких шайб на выводы базы или коллектора увеличивает индуктивность настолько, что можно предотвратить колебания (если вам, конечно, повезет).

Индуктивности играют главную роль в ВЧ-устройствах, поэтому в них очень часто можно встретить множество открытых катушек и индуктивностей с настраиваемым сердечником , а также трансформаторов (например, маленькие металлические трансформаторы ПЧ встречаются почти во всех приемных устройствах). Распространены также переменные конденсаторы небольшой емкости с воздушным зазором.

Как сказано выше, ВЧ-схемы устанавливаются в защищенных корпусах и часто имеют внутренние заземленные экраны между частями схемы, чтобы предотвратить их непредусмотренное взаимодействие. Чаще всего схемы строятся на двусторонних печатных платах, где одна сторона используется в качестве заземленной плоскости, или же схемы устанавливаются в непосредственной близости от экранов или других заземленных поверхностей. Землю в ВЧ-диапазоне нельзя делать слабой; вы должны пропаивать экран по всей длине и использовать множество винтов при установке перегородок или крышки.

При построении схем, рассчитанных на особо высокие частоты, абсолютно необходимо выводы компонентов делать как можно короче. Это значит, что выводы резисторов и конденсаторов должны обрезаться

ПОЧТИ под самый корень и припаиваться так, чтобы они почти не были видны (компоненты прн пайке сильно нагреваются, но они обычно это выдерживают). В области высоких частот и СВЧ часто пользуются керамическими чипами конденсаторов, припаиваемыми прямо на полоски печатных схем и т. п. вообще без выводов. Для СВЧ вообще более предпочтительно пользоваться широкими проводящими полосами и металлическими лентами, а не обычными проводами, так как при этом уменьшается индуктивность соединений. В этом диапазоне используются полосковые линии и микрополоски, где каждый вывод является сам по себе линией передачи с согласованным импедансом. Действительно, полоски листового металла могут быть использованы как части настраиваемых контуров; для примера посмотрим описание индуктив-ностей в цепи на 440 МГц (ARRL handbook, 1978, 447): Li - L3 включительно - полоска латуни 65x6 мм, припаиваемая одним концом к корпусу, а другим - к конденсатору. Отводы входа и выхода отстоят на 12,5 мм от заземленного- конца . Конечно, все основные методы в микроволновой технике сводятся к использованию в схемах волноводов и полых цепей с такими экзотическими компонентами, как циркуляторы и магические Т (разветвители - см. рис. 13.33).

Что может удивить новичка в ВЧ-уст-ройствах, так это использование измерительных и испытательных приборов в сочетании с методикой разрежь и попробуй .

Широко распространены генераторы качающейся частоты или свип-генераторы (источники ВЧ-сигналов с периодической разверткой по всему диапазону частот), сеточные измерители (для измерения резо- ансов), мосты для измерения С/Ш и анализаторы спектра, и все это в сочетании с многочисленными экспериментами со схемами. На этих частотах ничего нельзя точно предсказать, поэтому, для того чтобы создать хорошо работающую схему, приходится проводить множество экспериментов по методу проб и ошибок.

Рис 13 33. Волноводный ответвитель магическое Т .

13.21. Экзотические ВЧ-усилители и устройства

Известные приборы, такие, как биполярные транзисторы и ПТ, используются и на СВЧ, хотя часто имеют до некоторой степени необычное воплощение. Например, транзисторы, предназначенные для работы в области очень высоких частот, имеют довольно странный корпус с плоскими выводами, служащими для соединения с неизолированными печатными проводниками на плате и исходящими ра-диально от центра (рнс. 13.34). Мы перечислим и такие устройства и схемы, для которых нет аналогов в низкочастотной технике.

Эмиттер

Коллектор

Параметрические усилители. В этих устройствах усиление осуществляется изменением параметра перестраиваемого контура. Это очень похоже на маятнике грузом, подвешенным на длинной веревке.

Предположим, что движение груза представляет собой выходной сигнал. Вы можете создать колебания, мягко толкая груз с резонансной частотой; в обычных усилителях эти толчки производятся транзисторами или другими активными приборами. Но имеется другой, совершенно отличающийся метод раскачки, а именно путем подъема и опускания веревки (изменяется ее длина, параметр системы) с частотой, удвоенной по сравнению с естественной резонансной частотой. Попробуйте его (рис. 13.35). Маятник-точный аналог параметрического усилителя Адлера. В параметрическом усилителе изменяют емкость настраиваемого контура, используя варикап (емкость, управляемую напряжением), который управляется сигналами накачки . Эти усилители используются в схемах с низким уровнем шума.

Изолятор

Рис 13 34

Рис 13 35

усилителя

Маятник - аналог параметрического

Мазеры. Мазер - это аббревиатура: микроволновый усилитель с индуцированным испусканием излучения. В основном это квантовые атомные или молекулярные усилители, очень сложные в изготовлении и использовании, но в'этих усилителях обеспечивается самый низкий уровень шумов.

Полевые транзисторы на Ga As (арсенид галлия). Последнее слово в области микроволновых усилителей. Без особых усилий достигаются такие же характеристики, что и в параметрических усилителях. В настоящее время промышленные ПТ на GaAs выпускаются с усилением 11 дБ при 4 ГГц и с коэффициентом шума 1,ЗдБ.

Клистроны и лампы бегущей волны (ЛЕВ). Работа усилительных вакуумных ламп, используемых в микроволновой области частот, клистронов и ЛБВ, основана на эффектах, связанных с временем пролета электронов внутри лампы. Разновидность, называемая отражательным клистроном, работает обычно в качестве генератора благодаря тому, что в нем электронный пучок отражается обратно в сторону источника электронов. Существуют клистроны с непрерывной мощностью 0,5 МВт на выходную частоту до 2000 МГц.

Магнетроны. Сердце радаров и индукционных печей. Это высокомощная генераторная лампа с маленькими резонансными полостями. При помещении магнетрона в сильное электромагнитное поле электроны внутри резонаторов движутся по спирали.

Диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД или ШРАТТ) и р-/-л-диоды. Эти экзотические диоды весьма широко используются в СВЧ и микроволновой области. Диоды Ганна - маломощные генераторы частот в пределах 5-100 ГГц, дающие выходную мощность 100 мВт или около этого. ЛПД-диоды, аналогичные по назначению клистронам с мощностью до нескольких ватт при нескольких гигагерцах. Диоды р-1-л-типа ведут себя как сопротивления, зависящие от напряжения, и используются для включения и выключения микроволновых сигналов путем закорачивания волноводов.

Варикапы, диоды с накоплением заряда (SN АР-диоды). Варикап - это диод с отрицательным смещением, используемый в качестве пепе-менной емкости для настройки или в параметрических усилителях. Нелинейность характеристики позволяет использовать варикапы и в генераторах гармоник, т. е. как умножители частоты. SNAP-диоды также широко используются для генерации гармоник, поскольку они обладают субпикосекундным временем нарастания.

Диоды Шоттки, обращенные диоды. О диодах Шоттки мы говорили и раньше как о быстродействующих диодах с низким прямым падением напряжения. Их часто используют в качестве смесителей, как и обращенные диоды - разновидность туннельных диодов.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ КЛЮЧИ

Те же самые эффекты, которые ограничивают возможности линейных высокочастотных усилителей (емкости переходов, емкость обратной связи (проходная) с ее эффектом Миллера, а также паразитные емкости в комбинации с конечными сопротивлениями источника и нагрузки), налагают ограничения по скорости и на быстродействующие цифровые схемы. Многие из этих проблем непосредственно конструктора не касаются, поскольку они удачно разрешены при построении самой цифровой ИМС. Трудности возникают при использовании схем ТТЛ, например, только если в конструкции требуются дискретные транзисторы.

Тем не менее часто необходимо знать, как работают быстродействующие переключающие схемы. Например, при работе на внешнюю высоковольтную или сильноточную нагрузку (или нагрузку, требующую ток противоположной полярности) от логического выхода очень легко может ухудшиться быстродействие (например, раз в 100), если при конструировании допустить небрежность. Более того, бывают ситуации, когда используются бескорпусные цифровые логические схемы и вам приходится все делать самому.

Этот раздел мы начнем с рассмотрения простых моделей транзисторов, полезных при расчете схем переключения. На нескольких

примерах покажем, как эти модели работают (и как важно правильно подобрать транзистор). В заключение рассмотрим построение транзисторных переключающих схем на примере одной быстродействующей схемы (фотоумножительный преду сил итель - дискриминатор).

13.22. Модель транзистора и ее уравнения

На рис. 13.36 изображена ключевая схема на насыщенном транзисторе, включенном инвертором, сигнал на которую подается от

источника импульсов с чрезвычайно короткими временами нарастания и спада. Rw - сопротивление источника, Гб - относительно небольшое вну-

jpN , ние нагрузки, имеющей емкость С„.

Цу = = Эффекты, связанные с конечной вели-

чиной нагрузочного сопротивления,

Рис, 13.36. можно учесть, если считать, что

представляет собой суммарное сопротивление при соответствующем пересчете (Укк- Емкость между коллектором и эмиттером входит в С„, а Сбэ не учитывается, поскольку благодаря эффекту Миллера С„б всегда доминирует на входе.

На рис. 13.37 изображена типичная для этой схемы форма выходного импульса, если на вход ее подается хорошо сформированный отрицательный сигнал.Время нарастания / ар определяется как промежуток между моментами времени, когда значение сигнала равно соответственно 10 и 90% конечного значения. Так же определяется и время спада сп- Особо отметим относительно длительный период рассасывания неосновных носителей в базе

треннее распределенное сопротивление базы транзистора (около 5 Ом), Скб- наиважнейшая емкость обратной связи (проходная) и - сопротивле-

Вынод

Логичеслий / порог

который требуется,

р нар

90% 907о

Экспонента Линейное нарастание Логический порог

Рис. 13.37. Форма импульса на выходе транзисторного ключа

чтобы транзистор из насыщения перешел в линейное состояние проводимости, по сравнению с соответствующим более коротким временем задержки 4. требующимся для выхода из состояния отсечки. Эти параметры общепринято брать между 10%- и 90%-ными точками. В цифровой логике более полезно знать времена распространения /р. пар и /р. определяемые как времена от момента из-