Квадратурный сэмплирующий детектор по схеме Тейло

17 октября 2022

Недавно мы познакомились с схемой простого квадратурного демодулятора. Однако на практике часто применяется другая схема. Она известна под именами квадратурный сэмплирующий детектор (quadrature sampling detector, QSD), детектор Тейло (Tayloe detector) или смеситель Тейло (Tayloe mixer). Давайте же разберемся, что это за схема, и почему она так популярна.

Схема названа в честь придумавшего ее радиолюбителя Dan Tayloe, N7VE. Описание можно найти в разных источниках. Лучшее, что мне попадалось — это описание самого господина Тейло в статье Ultra Low Noise, High Performance, Zero IF Quadrature Product Detector and Preamplifier [PDF]. Статья описывает простой детектор Тейло и двойной балансный (double balanced) детектор Тейло. Различия между схемами небольшие. Мы сосредоточимся на первом варианте, потому что он проще для понимания. Поняв принцип его работы, вы без труда разберетесь и в двойной балансной схеме.

Детектор Тейло традиционно делают на основе шинного переключателя FST3253 (даташит [PDF]). Но бывают и другие реализации. Например, здесь предлагается вариант на базе чипа 74HC4052. Недостаток чипов этого семейства заключается в высоком rON, порядка 70 Ом, против 4 Ом у FST3253. Соответственно, схема на FST3253 имеет меньшие вносимые потери.

А вот и схема (файл PDF):

Схема детектора (смесителя) Тейло

FST3253 представляет собой два переключателя на четыре положения / канала. В данной схеме переключатели запараллелены для снижения общего rON. На управляющих пинах S0 и S1 ожидается логический сигнал: либо ноль, либо единица. Всего четыре комбинации, по одной на канал B1..B4.

Мы знаем, что схема по сути является смесителем. Отсюда может возникнуть соблазн искать умножение исходного сигнала на меандр. Но это будет ошибкой, ведь никакого умножения на самом деле нет. Схема работает совсем иначе.

Тейло пишет, что правильнее называть схему не смесителем, а переключаемым интегратором (switching integrator). Автор объясняет принцип ее работы на такой иллюстрации:

Объяснение работы детектора (смесителя) Тейло

Перед нами осциллограмма. Первые два сигнала — это входы S0 и S1. Здесь ожидаются меандры с фазовым сдвигом 90°. Это сигнал гетеродина (LO). Он определяет принимаемую частоту. Третий сигнал — это ВЧ (RF). Он будет переключаться между каналами B1..B4 четыре раза за период. Заметьте, что переключение происходит в порядке B1, B2, B4, B3, поскольку на S0 и S1 приходят логические 00, 01, 11, 10. Заметьте также, что на каждом из выходов B1..B4 стоит конденсатор.

Рассмотрим случай, когда частота LO в точности равна частоте RF, а фазовые сдвиги между сигналами — как показано на иллюстрации. Спрашивается, какое напряжение будет на конденсаторах?

На конденсаторах B1 и B4 (0° и 180°) будет примерно плюс и минус амплитуда ВЧ сигнала соответственно. Чуть меньше, поскольку конденсатор усредняет видимое им напряжение. На конденсаторах B2 и B3 (90° и 270°) среднее напряжение получается ноль.

Далее напряжение с конденсаторов идет на пару операционников. Здесь ОУ работают в режиме дифференциальных усилителей. То есть, они усиливают разницу между сигналами на входах. По сути, это неинвертирующая схема включения ОУ, только усиление происходит относительно второго сигнала, а не земли. Конденсаторы 10 нФ в обратной связи имеют высокий импеданс на НЧ и низкий импеданс на ВЧ. Таким образом, усиливается только НЧ сигнал.

Первый ОУ усиливает разницу между B1 и B4 (0° и 180°), а второй — между B2 и B3 (90° и 270°). В принципе, можно усиливать B1 и B2 относительно земли, а B4 и B3 выкинуть. Эффект будет тот же. Но на практике обычно используют комплементарные сигналы. Так или иначе, на выходах IF_I и IF_Q в данном случае имеем постоянные сигналы.

Если сдвинуть фазу A относительно фазы сигналов S0 и S1, то ситуация особо не изменится. На выходе получим какие-то другие постоянные сигналы, но они будут постоянным.

Если же изменить частоту управляющего сигнала, все становится интереснее. Напряжение на конденсаторах будет постоянно меняться, и на выходе мы получим НЧ сигнал. Его частота определяется разностью частоты гетеродина и ВЧ сигнала.

Вот как это выглядит на осциллографе:

Выход детектора (смесителя) Тейло на осциллографе

Получили те же синфазный и квадратурный сигналы, что ранее были получены с помощью простого квадратурного детектора. Можно заметить, что сигналы имеют немного разную амплитуду. Это объясняется погрешностью в номиналах компонентов.

Но если не видно разницы, то зачем делать так сложно? Прежде всего, данная схема имеет очень низкие вносимые потери, около 0.9 dB. А с учетом ОУ, она обладает усилением. Можно сразу переносить принимаемый сигнал на НЧ, без предварительного усиления по ВЧ. Схема приемника становится компактнее и дешевле. Также увеличивается динамический диапазон.

Измеренное усиление по напряжению составило примерно 33 раза (оно зависит от частоты). Максимальный уровень входного сигнала может составлять -33 dBm (S9+40), затем начинают возникать искажения на низких частотах. На частоте гетеродина схема хорошо согласована с 50 Ом по входу.

Так это выглядит на антенном анализаторе:

КСВ по входу детектра (смесителя) Тейло

Изготовленный мной детектор работает на частотах до 75 МГц. На 76 МГц он уже ломался. Частота ограничена временем переключения каналов в FST3253. По даташиту оно составляет от 1 до 6 нс, в зависимости от экземпляра. Детектор делает четыре переключения за период. Отсюда время переключения в моем чипе составило:

>>> 1000*1000*1000/75/1000/1000/4

… примерно 3.3 нс. Похоже на правду. Исходя из максимального времени переключения, схема гарантированно работает на частотах до 41 МГц.

Схема двойного балансного детектора Тейло доступна здесь [PDF]. Насколько мне удалось выяснить, его свойства те же, что у рассмотренной выше схемы. Сам Тейло тоже не отмечает особых преимуществ или недостатков двойной балансной схемы. Обратите внимание, что двойная балансная схема менее удобна, когда дело касается разводки печатных плат.

Дополнение: В продолжение темы см заметки Сдвиг фазы аудио-сигнала на 90° при помощи ОУ и Активный телеграфный фильтр HI-PER-MITE.

Метки: , , , .


Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.