8.13. Квадраторы сигналов

Рассматриваемые устройства основаны на использовании согласованной (с идентичными характеристиками) пары полевых транзисторов с p—n-переходом, управляемых противофазными (парафазными) сигналами и работающих на общую нагрузку. В исследуемой схеме (рис. 8.44, а) такая пара представлена  транзисторами Т1, Т2 типа Ideal с крутизной S = 1 мА/В (параметр В) и напряжением отсечки U_p = – 1 В (параметр VTO в диалоговом окне — см. разд. 4.9). В качестве источника противофазных сигналов использован функциональный генератор с параметрами на рис. 8.44, б и имитацией внутреннего сопротивления резисторами Ri1 и Ri2 по каждому выходу (для выхода «+» сигнал Ui представлен осциллограммой В на рис. 8.44, в).

В верхнем положении «сдвоенного» ключа Х выходной сигнал Uo снимается  с общей нагрузки R3 и представлен осциллограммой А на рис. 8.44, в, из которой видно, что его частота в два раза больше частоты входного, что говорит о том, что в устройстве происходит перемножение сигналов, поскольку sinwt×sin(wt ± 180°) = – sin²wt = 0,5(cos2wt – 1). При этом амплитуда выходного сигнала, измеренная в режиме ZOOM (режим работы осциллографа — на рис. 8.44, г), примерно равна амплитуде входного (1 В).

а)

                                                                                                б)                                           в)

г)

Рис. 8.44. Умножитель противофазных сигналов

В нижнем положении ключа Х выходной сигнал Uo снимается с нагрузки R32 правого плеча (сигнал с R3 блокируется конденсатором Cb) и представлен осциллограммой А на рис. 8.44, г, из которой видно, что при положительной (запирающей) полуволне входного сигнала (осциллограмма В) выходной сигнал транзистора Т2 ограничивается на уровне VA2 = –0,943 В, близком к напряжению отсечки, а при отрицательной, смещающей p—n-переход в прямом направлении, он равен VA1 = 1,874 В и по форме близок к полуволне второй гармоники входного сигнала. Подключив канал А осциллографа к стоку транзистора Т1, нетрудно убедиться в том, что сигнал в этой точке аналогичен по форме осциллограмме А, но сдвинут на 180°, т. е. амплитуда суммарного выходного сигнала примерно равна VA1 – VA2 = 0,931 В, что по порядку величины совпадает с осциллографическими измерениями, показанными на рис. 8.44, в.

Из приведенных данных видно, что формирование суммарного сигнала происходит на участке насыщения вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого транзистора. Для ориентировочных расчетов могут быть использованы эмпирические формулы, аппроксимирующие этот участок ВАХ, в частности в работе [68] предлагается следующая формула (см. разд. 4.9):

I_d = I_ds(1 – U_gs/U_p)²,

где I_d — текущее значение тока стока; I_ds — ток стока при напряжении затвор-исток U_gs = 0 (I_ds » (S×U_p)/3 [52]); U_p — напряжение отсечки.

Похожая формула приводится и в работе [23], однако она отличается тем, что вместо напряжения отсечки используется напряжение насыщения сток-исток при U_gs = 0. Заметим, что эти параметры достаточно близки по значению, в чем можно убедиться, снимая ВАХ при U_gs = 0 (см. разд. 4.9, рис. 4.32). Отметим также, что из приведенной формулы следует квадратирующее свойство полевого транзистора при работе на пологой части ВАХ.

Из проведенного анализа видно, что для реализации квадратора сигнала его необходимо преобразовать в парафазную форму. Для этого может быть использован формирователь на рис. 8.45, принцип действия которого заключается в том, что сигналы на истоке и стоке транзистора Т находятся в противофазе и при равенстве нагрузок в этих цепях (R2 » R3 + R4) обеспечивается равенство их амплитуд на выходах Uo1 и Uo2 (осциллограммы В и А соответственно). По существу схема на рис. 8.45 (ее иногда называют расщепителем фазы) представляет комбинацию каскадов с общим истоком и общим стоком (см. разд. 7.1). Аналогичная схема может быть выполнена и на биполярных транзисторах (комбинация каскадов с общим коллектором и общим эмиттером — см. разд. 7.1).

а)                                                    б)

Рис. 8.45. Формирователь противофазных сигналов

В качестве формирователя противофазных сигналов может быть использован также дифференциальный каскад. Квадратор с таким каскадом по-прежнему содержит согласованную пару транзисторов Т5, Т6 (рис. 8.46, а). Дифференциальный каскад выполнен на транзисторах Т1, Т2 со стабилизатором тока в эмиттерной цепи, состоящем из каскада ОЭ на Т4 и параметрического стабилизатора напряжения на Т3 в диодном включении (см. разд. 8.12 и 7.2). Настройка схемы заключается в ее симметрировании путем регулировки напряжения на базе Т2, например, подбором сопротивления резистора R9; контроль симметрии схемы по постоянному току производится с помощью вольтметров Uk1 и Uk2. Результаты моделирования представлены осциллограммами В входного и А выходного сигналов.

а)

б)

Рис. 8.46. Квадратор с дифференциальным каскадом

Контрольные вопросы и задания

1. Проведите осциллографические измерения в схеме на рис. 8.44, а при напряжениях отсечки транзисторов Т1, Т2 –0,5, –1, –2, –3 и –4 В и постройте зависимость VA2 = f (U_p). В случае отличия осциллограммы А от показанной на рис. 8.44, г измените амплитуду входного сигнала и напряжение питания Е.

2. Проведите моделирование схемы на рис. 8.44, а в среде EWB 5,0c или 5.12PRO и с помощью команды Analysis/Fourier исследуйте спектральный состав суммарного выходного сигнала при указанных в п. 1 напряжениях отсечки. При этом обратите внимание на содержание в спектре первой гармоники (50 кГц) входных сигналов, определяющей «качество» их перемножения.

3. При выполнении п. 2 проведите исследование спектра выходного сигнала при напряжении отсечки –1 В и изменениях амплитуды и частоты входного сигнала.

4. Исследуйте зависимость формы выходных сигналов в схеме на рис. 8.44, а от сопротивления резисторов Ri1 и Ri2. Если такая зависимость имеет место, то как ее можно объяснить?

5. Объедините схемы на рис. 8.44 и 8.45 (получится квадратор сигнала U1) и проведите ее настройку и моделирование.

6. В схеме квадратора на рис. 8.46 использованы полевые транзисторы с параметрами: S = 3 мА/В и U_p = ­–4В. Проведите испытания схемы при U_p = –0,5, –1, –2 и –3 В. При этом придется варьировать сопротивлениями резисторов R2 (изменение суммарного тока через Т1, Т2) и R9 (дополнительное симметрирование). Каким образом упростить настройку схемы, несколько усложнив ее (см. схему на рис. 8.44)?