СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиоприемных устройствах, системах электрической связи, устройствах телекоммуникационных систем и т.п., где требуется качественное детектирование амплитудно-модулированных, либо фазомодулированных сигналов.
Известно устройство синхронного детектора амплитудно модулированных сигналов (Руднев А. Синхронный АМ детектор // URL: https://admarkelov.ru/prostejshie-radiopriyomniki-i-radioperedatchiki/sinxronnyj-am-detektor-a-rudneva.html, дата обращения: 24.01.2021). В этом устройстве имеются полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, два конденсатора и катушка индуктивности. При этом исток полевого транзистора соединен с первыми выводами первого конденсатора и катушки индуктивности. Второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора. Этот узел соединения является выходом устройства. К затвору полевого транзистора прикладывается опорный сигнал (сигнал гетеродина), а к стоку транзистора прикладывается амплитудно-модулированный сигнал. Вторые выводы первого и второго конденсаторов соединены с общей шиной.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие двух конденсаторов.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. Полевой транзистор в аналоге используется для перемножения опорного сигнала (сигнала гетеродина) и амплитудно-модулированного сигнала. В тоже время проходная характеристика полевого транзистора имеет нелинейную зависимость, что приводит к росту уровня нелинейных искажений выходного сигнала. Это приводит к снижению достоверности преобразования амплитудно-модулированного сигнала с целью выделения на выходе детектора как непрерывных сигналов, так и дискретных.
Известно устройство синхронного детектора (Авторское свидетельство СССР 1298842 SU, МПК Н03D 3/02. Инхронный детектор. Добродняк Л. Е. и Свирищев В. А., опубликивано 23.03.87, БИ № 11). Синхронный детектор имеет операционный усилитель, два биполярных транзистора p-n-p-типа, два полупроводниковых диода, шесть резисторов, два конденсатора и ключ разряда. К первому выводу первого конденсатора прикладывается модулированный сигнал. К катоду второго диода прикладывается опорный сигнал. Первый вывод третьего резистора соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания. Второй вывод третьего резистора соединен с катодом первого диода и первым выводом четвертого резистора. Анод первого диода соединен с коллектором первого транзистора, инвертирующим входом операционного усилителя и вторым выводом первого резистора. Второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами первого и второго резисторов. Второй вывод второго резистора, неинверьтрующий вход операционного усилителя , базы первого и второго транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания. Выход операционного усилителя соединен с вторым выводом четвертого резистора и первыми выводами пятого и шестого резисторов. Второй вывод пятого резистора соединен с эмиттером первого транзистора. Второй вывод шестого резистора соединен с эмиттером второго транзистора и анодом второго диода. Коллектор второго транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора и с первым выводом ключа разряда и является выходом детектора.Второй вывод второго конденсатора и второй вывод ключа разряда соединены с общей шиной. К третьему выводу ключа разряда прикладывается напряжение сброса.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются два биполярных транзистора, два конденсатора и шесть резисторов. Второй вывод первого конденсатора и первые выводы первого и второго резисторов соединены между собой. Второй вывод второго резистора соединен с шиной источника положительного напряжения питания.
К недостаткам аналога необходимо отнести следующее. В детекторе при  первый и второй транзисторы заперты и ток на выход устройства не протекает. При  ток на выход устройства может протекать, если заперт второй диод. Если второй диод открыт, то ток на выход не поступает. Вторым диодом управляют стробирующие импульсы, следующие с частотой входного модулированного сигнала. Таким образом ток, поступающий на выход детектора, представляет собой импульсы тока, следующие с частотой модулированного сигнала. Их амплитуды отражают поведение огибающей модулированного сигнала. Эти импульсы тока вносят пропорционально величине тока, отражающего поведение огибающей модулированного сигнала, заряд во второй конденсатор, что обеспечивает формирование напряжения на выходе детектора. Однако следует отметить, что прямая ветвь вольтамперной характеристики второго диода имеет сильную нелинейность, что значительно проявляется на начальном участке прямой ветви вольтамперной характеристики диода. При открывании второго транзистора так же начнет сильно проявляться нелинейная зависимость проходной характеристики второго транзистора. Первый диод и первый транзистор, имеющие нелинейные зависимости вольтамперной характеристики для диода и проходной характеристики для первого транзистора, находятся в цепи обратной связи операционного усилителя. Это приводит к дополнительному наложению нелинейных искажений на модулированный сигнал, Который появляется на выходе операционного усилителя. Отмеченное приводит к снижению достоверности преобразования амплитудно-модулированного сигнала с целью выделения на выходе детектора как непрерывных сигналов, так и дискретных.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является детектор с полевыми транзисторами (Павлов Б. А. Синхронный прием. – М.: «Энергия», 1977, с. 27, рис. 28). В этом устройстве имеются четыре биполярных транзистора n-p-n-типа, три полевых транзистора с управляемым p-n-переходом, одиннадцать постоянных резисторов и два переменных резистора, шесть конденсаторов и два дросселя. Первые выводы первого и пятого резисторов соединены с шиной положительного напряжения питания, на которую напряжение подается через фильтр нижних частот, выполненный с использованием двух конденсаторов и дросселя. Второй вывод первого резистора соединен с коллекторами первого и третьего биполярных транзисторов. Второй вывод пятого резистора соединен с коллекторами второго и четвертого биполярных транзисторов. Этот узел соединениия является выходом устройства. Эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов соединены со стоком первого полевого транзистора. Эмиттеры третьего и четвертого биполярных транзисторов соединены со стоком второго полевого транзистора. Базы второго и третьего биполярных транзисторов соединены с общей шиной. Базы первого и четвертого биполярных транзисторов соединены между собой и являются входом для подачи сигнала (опорное напряжение) с синхронного гетеродина. Исток первого полевого транзистора соединен с первым выводом третьего резистора. Исток второго полевого транзистора соединен с первым выводом четвертого резистора. Вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены со стоком третьего полевого транзистора.Затвор первого полевого транзистора соединен с вторым выводом первого конденсатора и первым выводом восьмого резистора. К первому выводу первого конденсатора прикладывается модулированный сигнал. Второй вывод восьмого резистора соединен с вторым выводом второго резистора и первым выводом девятого резистора. Первый вывод второго резистора соединен с общей шиной. Затвор второго полевого транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора и первым выводом седьмого резистора. Второй вывод седьмого резистора соединен с вторым выводом шестого резистора и первым выводом десятого резистора. Вторые выводы второго конденсатора и десятого резистора соединены с общей шиной. Остальные постоянные резисторы, два переменных резистора, два конденсатора и второй дроссель  используются для задания управляемого напряжения смещения на третий полевой транзистор и для построения фильтра нижних частот относительно шины источника отрицательного напряжения питания.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, четыре биполярных транзистора n-p-n-типа, десять резисторов и три конденсатора, где базы второго и третьего транзисторов соединены с общей шиной, второй вывод третьего резистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, второй вывод шестого резистора соединен с вторым выводом седьмого резистора, первые выводы первого и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод десятого резистора соединен с общей шиной, на первый вывод первого конденсатора подается опорный сигнал, изменяющийся по гармоническому закону, второй вывод третьего конденсатора соединен с общей шиной.
Прототипу свойственны следующие недостатки. Детектирование модулированного сигнала осуществляется путем перемножения одним из биполярных транзисторов модулированного сигнала, прикладываемого к первому выводу первого конденсатора, и опорного сигнала (сигнала гетеродина), прикладываемого к базам первого и четвертого биполярным транзисторам. Относительно перемножителя сигналов, прикладываемые сигналы будут находиться в противофазе, что приводит к взаимной компенсации высокочастотного несущего (гармонического сигнала) на выходе детектора. Однако в описании прототипа (Павлов Б. А. Синхронный прием. – М.: «Энергия», 1977, с. 26) говорится, что амплитуда сигнала гетеродина должна быть выше напряжения, падающего на p-n-переходе биполярного транзистора, для того, чтобы транзисторы открывались при приложении этого напряжения. В этом случае сигнал гетеродина, открывющий транзистор, будет представлять собой усеченный по амплитуде импульс напряжения с углом отсечки менее 90°. На этой же странице описания прототипа приводится выражение (31), которое говорит о том, что разность фаз между сигналом гетеродина и высокочастотным сигналом модулированного сигнала должна быть минимальной (стремиться к нулю) для получения неискаженного сигнала на выходе детектора. Поскольку угол отсечки импульса, управляющего баполярными транзисторами относительно их баз будет меньше 90°, то в выражении, описывающем сигнал на выходе детектора, разность фаз  по модулю будет непостоянной величиной и больше нуля, что приведет к возникновению фазовых искажений и соответственно нелинейных искажений сигнала на выходе детектора.
Кроме этого проходная характеристика биполярного транзистора имеет сильную нелинейную зависимость особенно на начальном участке характеристики. Это приведет так же к возникновению нелинейных искажений. В соответствии с рассмотренным можно отметить, что прототип в ходе детектирования сигналов не позволяет обеспечить высокую достоверность преобразования модулированных сигналов на выходе синхронного детектора.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение достоверности преобразования амплитудно-модулированных и фазомодулированных сигналов с целью выделения на выходе детектора как непрерывных сигналов, так и дискретных, в процессе детектирования.
Технический результат достигается тем, что в синхронный детектор, содержащий четыре биполярных транзистора n-p-n-типа, десять резисторов и три конденсатора, где базы второго и третьего транзисторов соединены с общей шиной, второй вывод третьего резистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, второй вывод шестого резистора соединен с вторым выводом седьмого резистора, первые выводы первого и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод десятого резистора соединен с общей шиной, на первый вывод первого конденсатора подается опорный сигнал, изменяющийся по гармоническому закону, второй вывод третьего конденсатора соединен с общей шиной, введены пятый транзистор n-p-n-типа и два источника тока, причем второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой первого транзистора, коллекторы первого, четвертого и пятого транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания, коллекторы второго и третьего транзисторов и база пятого транзистора соединены с вторым выводом пятого резистора, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером первого транзистора, первый вывод четвертого резистора соединен с эмиттером второго транзистора, первый вывод шестого резистора соединен с эмиттером третьего транзистора, первый вывод седьмого резистора соединен с эмиттером четвертого транзистора, первый вывод первого источника тока соединен с узлом соединения вторых выводов третьего и четвертого резисторов, первый вывод второго источника тока соединен с узлом соединения вторых выводов шестого и седьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора соединен с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод восьмого резистора, первый вывод девятого резистора, база четвертого транзистора и второй вывод второго конденсатора соединены между собой, к первому выводу второго конденсатора прикладывается модулированный сигнал, узел соединения эмиттера пятого транзистора, первого вывода десятого резистора и первого вывода третьего конденсатора является выходом детектора, вторые выводы второго и девятого резисторов, первого и второго источников тока соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания.
Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил то, что в заявляемом техническом решении, первый и второй, третий и четвертый биполярные транзисторы n-p-n-типа образуют два каскада, где пары транзисторов включены по дифференциальной схеме. Каждая дифференциальная схема питается от своего первого и второго источников тока. На вход первой дифференциальной схемы (первый вывод первого конденсатора) поступает опорный сигнал, изменяющийся по гармоническому закону с частотой равной частоте несущего колебания модулированного сигнала. На вход второй дифференциальной схемы (первый вывод второго конденсатора) поступает амплитудно-модулированный, либо дискретный фазомодулированный сигналы. Токи коллекторов второго и третьего транзисторов замыкаются во второй вывод пятого резистора. В этом узле соединения происходит перемножение опорного сигнала и модулированного сигнала, что позволяет, используя фильтр нижних частот, построенный с использованием десятого резистора и третьего конденсатора, выделить огибающую модулированного сигнала. В заявляемом устройстве в эмиттерные цепи первого, второго, третьего и четвертого транзисторов включены третий, четвертый, шестой и седьмой резисторы, соответственно. Это позволяет снизить уровень нелинейности и расширить линейную область проходной характеристики транзисторов. В результате этого снижается уровень нелинейных искажений детектированного сигнала. Кроме того, в заявляемом устройстве не требуется, чтобы амплитуда опорного гармонического сигнала была бы больше напряжения, падающего на p-n-переходе база-эмиттер транзистора, что также способствует снижению уровня нелинейных искажений детектированного сигнала. Это позволяет повысить достоверность преобразования амплитудно-модулированных и фазомодулированных сигналов с целью выделения на выходе детектора как непрерывных сигналов, так и дискретных, в процессе детектирования.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная синхронного детектора, который позволяет детектировать амплитудно-модулированные сигналовы и дискретные фазомодулированные сигналы.
На фиг. 2 представлены форма модулирующего сигнала (верхняя диаграмма), форма амплитудно-модулированного сигнала (средняя диаграмма) и видеосигнал на выходе детектора (нижняя диаграмма), когда модулирующий сигнал имеет две спектральные составляющие, изменяющиеся по гармоническому закону с разными частотами и разными амплитудами.
На фиг. 3 представлена форма дискретного модулирующего сигнала (верхняя диаграмма), форма фазомодулированного сигнала (средняя диаграмма) и видеосигнал на выходе детектора (нижняя диаграмма).
Диаграммы, представленные на фиг. 2 – фиг. 3, получены моделированием детектора амплитудно-модулированных сигналов (фиг. 1) с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
Детектор амплитудно-модулированных сигналов (фиг. 1) содержит первый (4), второй (7), третий (10), четвертый (13) и пятый (18) биполярные транзисторы n-p-n-типа, первый (2), второй (3), третий (5), четвертый (8), пятый (9), шестой (11), седьмой (14), восьмой (15), девятый (16) и десятый (19) резисторы, первый (1), второй (17) и третий (20) конденсаторы, первый (6) и второй (12) источники тока. Базы второго (7) и третьего (10) транзисторов соединены с общей шиной (25). Второй вывод третьего резистора (5) соединен с вторым выводом четвертого резистора (8) и первым выводом первого источника тока (6), второй вывод шестого резистора (11) соединен с вторым выводом седьмого резистора (14) и первым выводом второго источника тока (12). Первые выводы первого (2) и пятого (9) резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания (22). Второй вывод десятого резистора (19) и второй вывод третьего конденсатора (20) соединены с общей шиной (25). На первый вывод первого конденсатора (1) подается опорный сигнал (21), изменяющийся по гармоническому закону. Второй вывод первого резистора (2), первый вывод второго резистора (3) и второй вывод первого конденсатора (1) соединены с базой первого транзистора (4). Коллекторы первого (4), четвертого (13) и пятого (18) транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания (22). Коллекторы второго (7) и третьего (10) транзисторов и база пятого транзистора (18) соединены с вторым выводом пятого резистора (9). Первый вывод третьего резистора (5) соединен с эмиттером первого транзистора (4), первый вывод четвертого резистора (8) соединен с эмиттером второго транзистора (7). Первый вывод шестого резистора (11) соединен с эмиттером третьего транзистора (10), первый вывод седьмого резистора (14) соединен с эмиттером четвертого транзистора (13). Первый вывод восьмого резистора (15) соединен с шиной источника положительного напряжения питания (22), второй вывод восьмого резистора (15), первый вывод девятого резистора (16), база четвертого транзистора (13) и второй вывод второго конденсатора (17) соединены между собой. К первому выводу второго конденсатора (17) прикладывается модулированный сигнал (26). Узел соединения эмиттера пятого транзистора (18), первого вывода десятого резистора (19) и первого вывода третьего конденсатора (20) является выходом детектора (23). Вторые выводы второго (3) и девятого (16) резисторов, первого (6) и второго (12) источников тока соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания (24).
Работает синхронный детектор сигналов (фиг. 1) следующим образом.
На постоянном токе напряжение на базах второго (7) и третьего (10) транзисторов равно нулю вольт. Резистивный делитель напряжения, выполненный с использованием первого (2) и второго (3) резисторов, поддерживает на базе первого транзистора (4) напряжение близкое к нулю. Резистивный делитель напряжения, выполненный с использованием восьмого (15) и девятого (16) резисторов, поддерживает на базе четвертого транзистора (13) напряжение близкое к нулю. Токи первого (6) и второго (12) источников тока делятся равномерно между первым (4), вторым (7) и третьим (10), четвертым (13) транзисторами соответственно. Величина сопротивления пятого резистора (9) выбирается такой, чтобы рабочая точка второго (7) и третьего (10) транзисторов находилась на линейном участке проходной характеристики транзисторов. Напряжение на выходе детектора имеет постоянную величину, равную:
где  – величина напряжения источника положительного напряжения питания;  – напряжение, падающее на пятом (9) резисторе;  – напряжение, падающее на прямосмещенном p-n-переходе база-эмиттер пятого (18) транзистора.
На переменном токе опорный сигнал (21), изменяющийся по гармоническому закону и прикладываемый к первому выводу первого конденсатора (1), положительной полуволной будет открывать первый транзистор (1), пропуская ток первого источника тока (6) от источника тока (6) к шине источника положительного напряжения питания (22). При появлении отрицательной полуволны гармонического сигнала первый транзистор (4) будет запираться, а второй транзистор (7) открываться, пропуская ток первого источника тока (6) через пятый резистор (9) к шине источника положительного напряжения питания (22).
На переменном токе модулированный сигнал (26), частота высокочастотного заполнения которого равна частоте опорного гармонического сигнала, будет прикладываться к первому выводу второго конденсатора (17). В этом случае положительные полуволны сигнала, амплитуды которых зависят от модулирующего сигнала, будут открывать четвертый транзистор (13), пропуская ток второго источника тока (12) от источника тока (12) к шине источника положительного напряжения питания (22). При появлении отрицательных полуволн модулированного сигнала, амплитуды которых также зависят от модулирующего сигнала, четвертый транзистор (13) будет запираться, а третий транзистор (10) открываться, пропуская ток второго источника тока (12) через пятый резистор (9) к шине источника положительного напряжения питания (22).
В результате этого в узле соединения коллекторов второго (7) и третьего (10) транзисторов и пятого резистора будет формироваться сигнал, представляющий собой произведение опорного сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, и модулированного сигнала, высокочастотное заполнение которого изменяется с частотой опорного сигнала. Сформированный сигнал в своем составе будет включать гармонический сигнал, изменяющийся с удвоенной частотой опорного сигнала, и низкочастотный сигнал, отражающий модулирующий сигнал. Сформированный сигнал через пятый транзистор (18), включенный по схеме с общим коллектором, подается на фильтр нижних частот, включающий параллельно соединенные десятый резистор (19) и третий конденсатор (20). Этот фильтр подавит высокочастотный сигнал, а на выходе синхронного детектора появится низкочастотный сигнал, отражающий модулирующий сигнал.
В предлагаемой заявке на полезную модель синхронного детектора в эмиттерные цепи первого, второго, третьего и четвертого транзисторов включены третий, четвертый, шестой и седьмой резисторы, соответственно. Это обеспечивает расширение линейной области проходной характеристики транзисторов, что позволяет снизить уровень нелинейных искажений детектированного сигнала. Кроме того, в заявляемом устройстве не требуется, чтобы амплитуда опорного гармонического сигнала была бы больше напряжения, падающего на p-n-переходе база-эмиттер транзистора, что также способствует снижению уровня нелинейных искажений детектированного сигнала. Это позволяет повысить достоверность преобразования амплитудно-модулированных и фазомодулированных сигналов с целью выделения на выходе детектора как непрерывных сигналов, так и дискретных сигналов, в процессе детектирования амплитудно-модулированных и фазомодулированных сигналов.
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены диаграммы, отражающие процесс детектирования амплитудно-модулированных сигналов (фиг. 2) и фазомодулированных сигналов (фиг. 3). Которые отражают процесс детектирования с высокой степенью достоверности преобразования амплитудно-модулированных и фазомодулированных сигналов.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства синхронного детектора.