Искусство схемотехники. Том 3 (Изд.4-е)

Рис. 13.46. Виды импульсной модуляции.

В амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) последовательность импульсов с амплитудами, пропорциональными сигналу, передается через регулярные промежутки времени. Эта схема полезна для временного разделения нескольких сигналов при передаче их по одному каналу связи, так как время между выборками может быть использовано для передачи выборки другого сигнала (конечно, при увеличении полосы пропускания). При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ширина (длительность) импульса постоянной амплитуды пропорциональна мгновенной амплитуде сигнала. ШИМ легко декодируется простым усреднением.

В фазово-импульсной модуляции (ФИМ) импульсы постоянной длительности и амплитуды либо задерживаются, либо даются с опережением относительно регулярных меток в соответствии с амплитудой сигнала. Кодово-импульсная модуляция. И наконец, в кодово-импульсной модуляции (КИМ) мгновенная амплитуда сигнала преобразуется в двоичное число и передается как последовательность битов. На рисунке использован двоичный 4-битовый смещенный код, соответствующий 16-уровневому квантованию. КИМ превосходна, когда нужно осуществить передачу, свободную от ошибок, через каналы с шумами. Поскольку ряд единиц и нулей можно однозначно восстановить в виде правильного цифрового кода, то может быть восстановлена и реплика первичного сигнала. КИМ практически полезна в системах с ретрансляцией, как, например, в трансконтинентальных телефонных каналах, где сигнал должен проходить через большое число станций и усиливаться на своем пути. В любой схеме с линейной модуляцией (AM, ЧМ, SSB) нельзя избавиться от шумов, накапливаемых при прохождении, а в КИМ цифровой код можно восстанавливать на каждой станции. Таким образом, на каждой станции сигнал как бы посылается заново.

Имеются и другие варианты КИМ (известные как кодируемые КИМ), в которых для кодирования квантованных выборок используются другие методы в отличие от простой двоичной последовательности; например, в приведенном примере можно было использовать передачу одного из 16 тонов. Благодаря отсутствию искажений КИМ обычно используется в телеметрии для передачи изображений с космических кораблей. Их также используют для «компакт-дисков» с цифровой записью звука, где выборка каждого стереоканала и преобразование его в 16-разрядное число осуществляются со скоростью 44100 операций в секунду. В любом применении КИМ скорость передачи бита должна подбираться достаточно низкой, чтобы быть уверенным в малой вероятности ошибки при опознавании бита. Обычно это ограничивает скорость передачи по данному каналу по сравнению с прямой аналоговой модуляцией.

Специфические особенности радиочастотных схем

В этом разделе сделана попытка лучше осветить некоторые принципы и методы ВЧ-схемотехники. Здесь нет возможности подробно рассматривать вопросы проектирования и конструирования схем, как это делалось в других главах, и это не является целью книги, представляющей собой лишь общее введение в электронику. Придерживаясь этой позиции, мы хотели бы рассказать о некоторых идеях, которыми обычно руководствуются при построении ВЧ-схем. Главным образом они направлены на уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей и освоение схем, размеры которых сравнимы с длиной волны. Не будем пытаться слить эти идеи в связную методологию; рассмотрим лишь некоторые общие приемы.

13.21. Специальные методы конструирования

ВЧ-«дроссели» (небольшие индуктивности — от микрогенри до миллигенри) широко используются в качестве элементов, блокирующих сигнал. Обычно напряжение питания должно подаваться на клеммы корпуса, в котором размещены экранированные «проходные конденсаторы» (параллельный отвод на землю в сочетании с механическими зажимами на противоположных концах), и на ВЧ-дроссель, соединенные последовательно. Отличие состоит в применении ферритовых шайб на выводах транзисторов, ПТ и пр. Их использование связано с тем, что ВЧ-схемы могут генерировать «паразитные» колебания, вызываемые «паразитными» резонансными контурами СВЧ-диапазона, образуемыми самой проводкой. Нанизывание в разных местах нескольких шайб на выводы базы или коллектора увеличивает индуктивность настолько, что можно предотвратить колебания (если вам, конечно, повезет). Индуктивности играют главную роль в ВЧ-устройствах, поэтому в них часто можно встретить множество открытых катушек и индуктивностей с «настраиваемым сердечником», а также трансформаторов (например, маленькие металлические трансформаторы ПЧ встречаются почти во всех приемных устройствах). Распространены также переменные конденсаторы небольшой емкости с воздушным зазором.

Как сказано выше, ВЧ-схемы устанавливаются в защищенных корпусах и часто имеют внутренние заземленные экраны между частями схемы, чтобы предотвратить их непредусмотренное взаимодействие. Чаще всего схемы строятся на двусторонних печатных платах, где одна сторона используется в качестве заземленной плоскости, или же схемы устанавливаются в непосредственной близости от экранов или других заземленных поверхностей. Землю в ВЧ-диапазоне нельзя делать слабой; вы должны пропаивать экран по всей длине и использовать множество винтов при установке перегородок или крышки.

При построении схем, рассчитанных на особо высокие частоты, абсолютно необходимо выводы компонентов делать как можно короче. Это значит, что выводы резисторов и конденсаторов должны обрезаться почти под самый корень и припаиваться так, чтобы они почти не были видны (компоненты при пайке сильно нагреваются, но они обычно это выдерживают). В области СВЧ и УВЧ часто пользуются керамическими «чипами» конденсаторов, припаиваемых прямо на полоски печатных схем и т. п. вообще без выводов. Если вы используете обычные конденсаторы, то их внутренняя индуктивность может вызывать саморезонансные явления даже при таких низких частотах, как мегагерцы. Для СВЧ вообще более предпочтительно пользоваться широкими проводящими полосами и металлическими лентами, а не обычными проводами, так как при этом уменьшается индуктивность соединений. В этом диапазоне используются полосковые линии и микрополоски, где каждый вывод является сам по себе линией передачи с согласованным импедансом. Действительно, полоски листового металла могут быть использованы как части настраиваемых контуров; для примера посмотрим описание индуктивностей в цепи на 440 МГц (ARRL handbook): «L₁ – L₃ включительно - полоска латуни 65x6 мм, припаиваемая одним концом к корпусу, а другим — к конденсатору. Отводы входа и выхода отстоят на 12,5 мм от заземленного конца». Конечно, все основные методы в микроволновой технике сводятся к использованию в схемах волноводов и полых цепей с такими экзотическими компонентами, как циркуляторы и «магические Т» (разветвители — см. рис. 13.47).

Рис. 13.47. Волноводный ответвитель «магическое Т».

Что может удивить новичка в ВЧ-устройствах, так это использование измерительных и испытательных приборов в сочетании с методикой «разрежь и попробуй». Широко распространены генераторы качающейся частоты или свип-генераторы (источники ВЧ-сигналов с периодической разверткой по всему диапазону частот), сеточные измерители (для измерения резонансов), мосты для измерения С/Ш и анализаторы спектра, и все это в сочетании с многочисленными экспериментами со схемами. На этих частотах ничего нельзя точно предсказать, поэтому, для того чтобы создать хорошо работающую схему, приходится проводить множество экспериментов по методу проб и ошибок.

13.22. Экзотические ВЧ-усилители и устройства

Известные приборы, такие, как биполярные транзисторы и ПТ, используются и на СВЧ, хотя часто имеют до некоторой степени необычное воплощение. Например, транзисторы, предназначенные для работы в области очень высоких частот, имеют довольно странный корпус с плоскими выводами, служащими для соединения с неизолированными печатными проводниками на плате и исходящими радиально от центра (рис. 13.48). Мы перечислим и такие устройства и схемы, для которых нет аналогов в низкочастотной технике.

Рис. 13.48.

Параметрические усилители. В этих устройствах усиление осуществляется изменением параметра перестраиваемого контура. Это очень похоже на маятник с грузом, подвешенным на длинной веревке. Предположим, что движение груза представляет собой выходной сигнал. Вы можете создать колебания, мягко толкая груз с резонансной частотой; в обычных усилителях эти «толчки» производятся транзисторами или другими активными приборами. Но имеется другой, совершенно отличающийся метод раскачки, а именно путем подъема и опускания веревки (изменяется ее длина, параметр системы) с частотой, удвоенной по сравнению с естественной резонансной частотой. Попробуйте его (рис. 13.49).

Рис. 13.49. Маятник — аналог параметрического усилителя.

Маятник является точным аналогом параметрического усилителя Адлера. В параметрическом усилителе изменяют емкость настраиваемого контура, используя варикап (емкость, управляемую напряжением), который управляется сигналами «накачки». Эти усилители используются в схемах с низким уровнем шума.

Мазеры. Мазер — это аббревиатура: микроволновый усилитель с индуцированным испусканием излучения. В основном это квантовые или атомные или молекулярные усилители, очень сложные в изготовлении и использовании, но в этих усилителях обеспечивается самый низкий уровень шумов.