Négyzetes detektor és frekvencia kétszerező fca 795 szorzó áramkörrel

Átírás

1 SZABÓ ORION ZOLTÁN Négyzetes detektor és frekvencia kétszerező fca 795 szorzó áramkörrel ETO : 681.3S5.5 Analóg szorzó áramkörökre az elektronikában több helyen szükség van. Megvalósításukra több fajta megoldást dolgoztak ki. Az egyik típusnál logaritmikus karakterisztikájú átalakítóra vezették a jeleket, majd az így kapott feszültségeket összeadták. Ilyen logaritmikus átalakítóként használtak elektroncsövet is, amelynek rácsáram-feszültség karakterisztikája logaritmikus. Más esetben a logaritmus függvényt törtvonalas közelítéssel valósították meg, diódás áramkörrel. Végeztek szorzást modulátorral is [1]. Később a tranzisztor nonlineáris karakterisztikáját felhasználva építettek szorzó áramköröket [2, 3], Az integrált szorzó áramkör tulajdonképpen ezeknek a tranzisztoros áramköröknek az integrálásával jött létre, a tranzisztoros kapcsolásnál jóval stabilabb és könnyebben kezelhető. Mivel ~ U 2 Amint látható, megvalósul a szorzás, a kimenő feszültség valóban arányos a két bemenő feszültség szorzatával. Szorzó áramkör működése Az 1. ábra a szorzó áramkör egyszerűsített kapcsolását mutatja. írjuk fel az U ki feszültség értékét. Ehhez nézzük meg a tranzisztor helyettesítő képét (2. ábra. A tranzisztor meredeksége g m az emitter áram függvénye 1. ábra Y 2 j IH246-SZ-H ahol q az elektron töltése, k a Boltzman-féle állandó, T az abszolút hőmérséklet. Esetünkben í/ k l =^í/ 1 --R=C(í/ 1 / 2 +[/ 1 / 0 2. ábra A 2J 0 áram megosztását az U 2 feszültség vezérli, I 2 arányos f/ 2 -vel. Az U ki feszültségképíete azonban tartalmaz egy zavaró tagot, a CU x I ü -t. Ennek kiküszöbölésére a 3. ábrán látható kapcsolást lehet megvalósítani. A 3. ábra alapján felírhatjuk a következő összefüggéseket: továbbá / a =[/ 1 ca 0 +/ 2 I b =-U 1 C(I I c =-UiC(I 0 -I 2 I á =U x C(I 0 -I 2, = 2CC/ 1 / 2 =Q?7 1 In = h + h = - UxC [(/ 0 +/ 2 -(/ 0 _/ 2 ] = = -2C[7 x =-C I [/ Beérkezett: I. 1.8, 3. ábra

2 SZABÓ Z.: NÉGYZETES DETEKTOR ÉS FREKVENCIA KÉTSZEREZŐ Carrier (- o! be Jel be o Erősítés o Beállítás 5. ábra 4. ábra A 21 0 áramgenerátort meg lehet valósítani egy tranzisztorral. A /na 796 áramkörben két tranzisztort használnak erre a célra, az áramgenerátorok közé bekötött ellenállás bizonyos beállítási lehetőséget ad (4. ábra. Az áramkör hátránya, hogy a két bemenet különböző egyenfeszültségen van. Ezért elsősorban modulátorként, frekvencia kétszerezőként, valamint más olyan helyeken célszerű alkalmazni, ahol a bemenet egyenáramúlag leválasztható. Az előzőekben tárgyalt szorzó tulajdonképpen feszültség-áram szorzó, Uu^C-JJJz. Egy áram-áram szorzó blokkvázlata az 5. ábrán látható, ez megfelel a UA795 elvi felépítésének is. Amint látható, tartalmaz két feszültség-áram átalakítót és egy szorzót. A szorzó résznek a kapcsolását a 6. ábrán láthatjuk. A dióda alkalmazásával lineáris működést kapunk széles tartományban. A dióda logaritmikus feszültség-áram karakterisztikája, kompenzálja a tranzisztor-exponenciális-áram-feszültség karakterisztikáját. Ennek igazolására nézzük meg a 7. ábrát. Itt egy J x árammal meghajtott diódának kötött tranzisztor vezérel egy másik tranzisztort, amely kimenő árama I 2. Tegyük fel, hogy /ipe^oo, vagyis nagy. J 0 +J, 1\ \Jo-J, J B1 6. ábra 7. ábra \H2<,6-SZ7\ Bl" ü l n q h Bl - I s exp kt = J s exp B2 kt Yinvertilo be bemenet -KV,, invertalo ~jf bemenet ahol I s a telítési áram. Mivel U B1 = U B2, így / 1=jf 2> tehát valóban lineáris a működés. A feszüitség-áiam átalakító úgy van megoldva, hogy a bemeneti egyenfeszültség mind a két bemenetre azonos. A föld potenciálhoz képest egyenlő nagyságú pozitív és negatív feszültséggel vezérelhető. A /xa 795 áramkör teljes kapcsolása a 8. ábrán látható. 8. ábra Az áramkörre megadott főbb paraméterek Bemenőfeszültség-tartomány: ±12 V Bemenőimpedancia: 20 MQ Differenciális kimenőellenállás: 300 kq 113

3 HÍRADÁSTECHNIKA V: ÉVF. 4. SZ. <4sM 6 40 Linearítás: -10=st/ 2 <10 2% Négyzetes hiba: 0,75% Skála tényező k(v' ki =kv\v r 2: 0,1 Frekvenciaátvitel: -3 db ' 3 MHz 3 fázistolás 750 khz 1%-os fázishiba 30 khz A 9, ábra jellegzetes karakterisztikákat mutat. Meg kell jegyezni, hogy a kimenőfeszültség pozitív egyenfeszültségre szuperponálódva jelenik meg. Ezért, hogy a kimenetet is föld potenciálon kapjuk, az egyenáramú szintet műveleti erősítővel el kell tolni (10. ábra. A 11. ábra az áramkör tipikus alkalmazására mutat néhány példát. A négyzetre emelő üzemmódot egy kicsit részletesebben vizsgáljuk meg u x = U 1 cos cot U 2 u ki = u\ = Ul cos 2 cot= i (1 + cos 2mt Amint látható, a kimenőfeszültség két tagot tartalmaz. Ha a 2co frekvenciájú tagot leszűrjük négyzetes detektort kapunk. Ha csak a váltóáramú komponenst visszük tovább, úgy frekvencia kétszerezőhöz jutunk. Megépített áramkörök 9. ábra \H2i6-Szg\ <to Az ORION Mikrohullámú Fejlesztési Osztályán kidolgozott kvantálási jel zaj viszony mérőben fia 795 áramkört használtunk négyzetes detektorként. Az áramkör teljes kapcsolása a 12. ábrán látható. A fik 795 előtt levő SN el megvalósított erősítő 1. táblázat í/betmv] ' >*[%] 10. ábra \H2te-SZ10\ 50 3, , , , ,82 2, ,25 -U K - r ü r U z I u; Szorzó Négyzetreemelő Négyzetes detektor Ui cos 2 cút U K i = U 0 cosf Frekvenciaketszerezo \U Ki = U K cos Ü 0 tcos co z í ÍUref U 2 cosu> 0 t Fázis demodulátor Modulátor 11. ábra \H246-SZH\ 114

4 SZABÓ Z.: NÉGYZETES DETEKTOR ÉS FREKVENCIA KÉTSZEREZŐ c fí R 15 Ris H R a H5 12. ábra \H2<t6-SZ1t\ , J 9 /JLA795 2 ^ ft C 2 =j= 00 0 \H24-6~SZ13i 13. ábra az előző fokozat jelének megfelelő szintre való felerősítését végezte. A P 3, P 4 potenciométerrel 1. és 2. bemenet offset feszültségét lehet beállítani, ennek helyes beállításától függ a pontos négyzetre emelés. A beállítás megkönnyítésére szolgál a kimenetekre elhelyezett kisértékű 100 Q ellenállás, amelyen oszcilloszkóppal vizsgálhatjuk a teljes kimenő jelet. Ügy kell beállítani a szorzó áramkört, hogy az itt látható 2 frekvenciájú jel torzításmentes legyen, ami a négyzetre emelés jóságát bizonyítja. A P 5 potenciométerrel a műszer nulláját állíthatjuk be. A mérési eredményeket az 1. táblázat tartalmazza, ahol ki mért -u kki i számított számított Az U ki számított értéknél az / be = 200 mv-hoz tartozó U ki értéket vettük alapul. Amint a mérési eredményekből látható, a négyzetreemelés nagyon pontos. A műszer négyzetes skálázása előre elkészíthető, nincs szükség a skála torzítására, hogy a detektor karakterisztikának megfeleljen, ami egyébként szokásos. Megvizsgáltuk a frekvencia kétszerezés jóságát is, spektrum analizátorral mértük az egyes harmónikusok szintjét, a méréseket / u =500 Hz-en végeztük, A mérési eredmények a

5 HÍRADÁSTECHNIKA V. ÉVF. 4. SZ. í U K [ÚB] fo -34,5 2/0 0 3/b -41,5 4/o -46,5 2. táblázat táblázatban találhatók. Az egyes szinteket a 2/ 0 komponenshez viszonyítottuk. A mérési eredményekből láthatóan az alap és felharmonikus tartalom alacsony. Az így megvalósított frekvenciakétszerezés esetén szűrőre nincs is szükség. Az ORION-ban megépített frekvenciakétszerező kapcsolása a 13. ábrán látható. A («A 795 integrált áramkörrel építettünk fázis demodulátort is, amely szintén jó eredményt adott. IRODALOM [1] B. J. Kogan: Analóg számológépek és alkalmazásuk önműködő szabályzások vizsgálatára. Műszaki Könyvkiadó, [2] R. R. A. Mórion: A simple d. c. to 10 MC/S analogue multiplier. J. SCI INSTRUM, VOL. U3 [3] H. Brtiggermann: New feedback-stabilised analogue multiplier. Electronics Letters 6th March [4] B. Marari, A. Bondini: Integrated balanced modulátor. Communications présentées au Colloque International sur la Microelectronique Avancee Paris [öj^fairchild Complete Linear Book.