Фазовый детектор и смеситель на основе ОУ с коммутируемым усилением

Некоторые операционные усилители, такие как AD8041 и EL5100, имеют вывод запрета, позволяющий соединять параллельно выходы нескольких операционных усилителей (ОУ) для мультиплексирования видеосигналов. Помимо мультиплексирования, функция запрета дает возможность сконфигурировать операционный усилитель фазовым детектором или смесителем частот. На Рисунке 1 показано, как с помощью функции запрета может реализовать низкочастотный фазовый детектор. Усилитель этой схемы можно включать и выключать с частотой опорного фазового сигнала ω_REF. При этом на выходе операционного усилителя появится постоянная составляющая, пропорциональная косинусу разности фаз входного и опорного сигналов.

Рисунок 1.	Переключая вход запрета операционного усилителя с опорной частотой и фильтруя нижние частоты на его выходе, можно получить постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз входного и опорного сигналов.

Выходной сигнал этой схемы равен

где

а G(t) – изменяющееся во времени усиление операционного усилителя. G(t) – это прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения 50%, уровни которых переключаются между нулем и G₀ с частотой опорного фазового сигнала, а G₀ – коэффициент усиления ОУ при включенном выходе. Поскольку G(t) является периодической функцией времени, разложим ее в ряд Фурье:

Умножая V_IN(t) на G(t) и оставляя только члены с нулевой частотой, получаем выражение для постоянной составляющей выходного сигнала:

Полоса единичного усиления операционного усилителя EL5100 на Рисунке 1 равна 200 МГц, и его выход можно включать и выключать, подавая на вход запрета (вывод 8) прямоугольные импульсы размахом не менее 0-4 В. При использовании показанных на схеме номиналов резисторов обратной связи и при G₀ = 3 пиковое выходное напряжение фазового детектора приблизительно равно пиковому значению входного сигнала. EL5100 имеет время отключения 180 нс и время включения 650 нс, что позволяет коммутировать усиление устройства с частотой примерно до 250 кГц. На более высоких частотах усиление фазового детектора падает, поскольку коэффициент заполнения импульсов коммутации усиления больше не равен 50%.

Фильтр нижних частот, следующий за операционным усилителем, выделяет постоянную составляющую сигнала V_OUT(t) и имеет спад 3 дБ на частоте 800 Гц. Резистор 100 Ом и включенный последовательно с ним конденсатор 0.1 мкФ ограничивают фазовую задержку, вносимую фильтром, когда фазовый детектор находится внутри петли ФАПЧ. Номиналы компонентов на Рисунке 1 обеспечивают максимальный фазовый сдвиг примерно 65°. При использование источников питания +5 В и –5 В колебания выходного сигнала фазового детектора будут примерно симметричными относительно 0 В. Если в проекте такая симметрия не требуется, можно использовать один источник питания 5 В с положительным смещением операционного усилителя на 2.5 В. В этом случае колебания выходного сигнала будут симметричны относительно уровня 2.5 В. Как во всех схемах на широкополосных операционных усилителях, чтобы избежать неустойчивости следует позаботиться о том, чтобы конденсаторы развязки по питанию были подключены к земляной шине короткими соединениями и как можно ближе к выводам источника питания операционного усилителя.

Эта же схема с коммутируемым усилением может также работать как смеситель частот. Если входной сигнал имеет частоту ω_S, а частота опорных прямоугольных импульсов равна ω_LO, то частота сигнала промежуточной частоты (ПЧ) на выходе будет равна (ω_LO – ω_S) или (ω_LO + ω_S). Желаемый сигнал ПЧ можно получить, заменив выходной фильтр нижних частот на Рисунке 1 полосовым фильтром, настроенным на нужную промежуточную частоту ω_LO ± ω_S. Если частота переключения опорного сигнала выше допустимой для входа запрета, можно использовать смешение на гармониках с использованием нечетных гармоник опорного сигнала. Такой подход снижает коэффициент усиления смесителя в 1/N раз, где N – номер используемой гармоники.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD8041
2. Datasheet Intersil EL5100