Смеситель сигналов на основе резисторноо оптрона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиотехнические системы

смеситель сигналов

на основе резисторного оптрона

Б. Н. Денисов

Перемножение сигналов является одной из фоторезисторе операций приема и преобразо-основных операций при преобразовании сигна- вания сигнала позволит создавать многофунк-

циональные элементы оптоэлектроники.

Рассмотрим перечисленные выше операции,

лов в радиотехнике. Различные виды модуля-

ции, детектирования связаны с операцией умножения. В аналоговой электронике эти операции осуществляются опосредованно с помощью транзистора, работающего в нелинейном режиме [2]. В [3] нами было показано, что фоторезистор может осуществлять перемножение двух сигналов, один из которых является напряжением, приложенным к фоторезистору, а

которые можно осуществить с помощью идеального фоторезистора, если один из сигналов, например сигнал сообщения, преобразован в оптический. С помощью фоторезистора можно осуществлять амплитудную модуляцию (АМ) [2]. Пусть сигнал сообщения преобразован в

оптическии сигнал вида:

U

другой — оптическим, модулированным по интенсивности. Операция умножения является

Ф = Ф0 + | [фк (1+ cos(AQi + wk »1

к—1

(о

одной из основных задач аналоговой транзисторной электроники. Получение амплитудно-модулированных (АМ) сигналов и сигналов с угловой модуляцией, синхронное детектирование, детектирование фазомодулированных сигналов связано с операцией перемножения двух сигналов. Задача перемножения двух сигналов в аналоговой электронике осуществляется за

счет нелинейной характеристики транзистора, тока на входе фоторезистора в случае монопо-поэтому на выходе транзисторного перемножителя спектр сигнала будет содержать комбинационные частоты, которые невозможно исклю-

где Ф0 — постоянная составляющая интенсивности света Шг, у/, — соответственно

амплитуда, частота и фаза гармоник изменяющейся во времени интенсивности света. Подавая на фоторезистор высокочастотное напряжение вида и = У собо^, получим выражение для

лярнои проводимости при условии однородной генерации свободных носителей в объеме:

чить из спектра модулирующего сигнала, если эти частоты меньше граничной частоты спектра. В отличие от идеального транзисторного перемножителя, идеальный фоторезистор может осуществлять операцию перемножения двух сигналов, не внося нелинейных искажений [2]. При этом один из сигналов является приложенным к фоторезистору напряжением, а второй оптическим, преобразованным в изменение проводимости фоторезистора. В спектре сигнала

оо

I = / cos cot+ X

/

к

к= 1 2

COS [(й}-ш)г + +

оо

+1

I

к

к= 1 2

СОБ 1<У +

ш)

t+Wk

(2)

где

оо

о

к-1

/0 =[п0 +e(l-R)aß0oTnlinVJmS/l,

на входе фоторезистора отсутствуют комбина- j = е(\- К)аРФкТ /л U Sil 0)

частота

ционные частоты, которые приводят к неустра нимым искажениям сигнала. Совмещение в

высокочастотного сигнала; I]т — амплитуда пе-

"© Б. Н. Денисов, 2007

Серия «Физико-математические науки»

95

составляла - 5-10"7 с. Спектральный состав гар-

ременного напряжения; е, 3,Тп , II — со- моник световых импульС0в был предваритель-

ответственно заряд электрона, подвижность, коэффициент поглощения, квантовый выход и время жизни свободных носителей, коэффициент отражения; п0 — равновесная концентрация электронов; 5 — площадь контактов; / — расстояние между контактами фоторезистора. Выражение (2) является амплитудно-модулирован-ным (АМ) сигналом, в котором отсутствуют комбинационные частоты. Из выражения (2) следует, что фоторезистор может выполнять функцию анализатора спектра электрических сигналов. В случае к£1 = на выходе фоторезистора появится постоянный ток, амплитуда которого будет пропорциональна амплитуде /г-ой гармоники исследуемого сигнала. В качестве анализируемого сигнала может выступать приложенное к фоторезистору напряжение

и

или модулированный по интенсивности оптический сигнал. Простейшая схема анализатора спектра гармоник модулированных по интенсивности оптических сигналов представлена на рис. 1.

Ф

1 М 4

Рисунок 1 Схема анализатора спектра: 1 — фоторезистор, 2 — перестраиваемый

генератор, 3 — гальванометр магнитоэлектрической системы

Нами были проведены эксперименты по Фурье-анализу оптических сигналов модулированных по интенсивности с помощью устройства, изготовленного по схеме, изображенной на рис. 1. В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе кристаллов кремния марки БНЛ-1 с графитовыми контактами. Регистрирующим устройством являлся гальванометр магнитоэлектрической системы М-95, а источником света — ИК-светодиод, питаемый прямоугольными импульсами напряжения частотой 1 кГц при скважности, равной 2, от генератора Г6-34. Постоянная времени светодиода

но измерен с помощью анализатора спектра СК4-56. В качестве регистрирующего устройства световых импульсов использовался фотодиод (ФДМ-70), сигнал с которого подавался на анализатор спектра. Амплитуды гармоник им-

и

пульсов света вплоть до девятнадцатой соответствовали разложению в ряд Фурье меандра со скважностью 2. Для уменьшения искажений спектрального состава гармоник фоторезистором амплитуда интенсивности прямоугольных импульсов света обеспечивала увеличение проводимости образца в 1,2 раза по сравнению с темновой. В этом случае, как показала проверка, кинетика фотопроводимости фоторезистора была линейной. Постоянная времени фотопроводимости, равная 5-10"6с, была определена из кривой затухания фототока. Следовательно, инерционные свойства фоторезистора не могли сказываться на величине амплитуды гармоник с частотой до 20 кГц. Измеренные первые десять гармоник совпадали с теоретическими с точностью до 0,5 %.

Рассмотрим операцию синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов. Пусть напряжение, приложенное к идеальному фоторезистору, имеет вид АМ-сигнала

оо

и = и тсоъ со t+ X

и

к

СОБ

к= 1 2

+

оо

+1

и

к

к=1 2

С05 [(¿У + +ук ].

(3)

Для осуществления операции синхронного детектирования необходимо осветить фоторезистор оптическим сигналом, интенсивность которого изменяется с частотой высокочастотного сигнала по закону Ф = Ф0(1 + собож). В этом случае ток на входе идеального фоторезистора будет содержать сигнал информации:

оо

/

к

1 = 2 —со +

(4)

к=1 2

Сигнал информации может быть выделен с помощью фильтра низких частот при полном отсутствии нелинейных искажений в спектре сигнала сообщения, что в принципе невозможно осуществить с помощью средств транзис-

и

торной электроники.

Рассмотрим процесс фазового синхронного детектирования сигналов с помощью идеально-

го фоторезистора. Напряжение фазомодулиро-ванного (ФМ) сигнала можно записать в виде

<7 = <х0 ехр(-77 - и3),

(8)

и =С/имп[й)0/ + ?)(г)].

(5)

При приложении этого напряжения к фото- затворе ОТНОсительно истока, Е

резистору и освещении его светом с частотой

* Л

гармонической модуляции ток на выходе фоторезистора будет равен

/ = /и8ш[<а>* + р(г)]+

I

т

2

т[2|

+ — вт \1(йгЛ +

'О

I

н—~ вш 2

т <р(г)

(6)

Если девиация фазы достаточно мала, то ток на выходе фоторезистора будет содержать слагаемое, пропорциональное сигналу информации, который легко выделяется с помощью фильтра низких частот:

I =

I

где —а0, г| — постоянные величины для данного транзистора, из = Е + иа — напряжение на

— напряжение на затворе относительно истока при отсутствии модуляции, ип — мгновенное значение модулирующего сигнала. Нелинейная зависимость проводимости между стоком и истоком полевого транзистора определяет величину коэффициента нелинейных искажений. При глубине модуляции сопротивления полевого транзистора тк = А/? / Яср = 0,6 коэффициент нелинейных искажений К = 7,5 %, где ДИ ние величины сопротивления транзистора от среднего значения сопротивления транзистора КсР [5]. На рис. 2 представлена схема фазового модулятора на основе ИХ-делителя с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления [4].

отклоне-

т

2

(7)

&

1

Аналогичным способом с помощью фоторезистора можно детектировать и частотно модулированный (ЧМ) сигнал.

Из приведенного рассмотрения видно, что фоторезистивная структура может выполнять

/ А

операции с сигналом, которые осуществляются с помощью транзисторной электроники. Основное преимущество применения фоторезистора для обработки сигналов заключается в снижении нелинейных искажений сигнала сообщения и совмещение в оптической линии связи процессов приема и обработки сигнала в одном устройстве — фоторезисторе. Возможны и другие случаи применения фоторезистора в электронике, где транзистор выполняет роль управляемого сопротивления, например, в различных видах фазовых модуляторов [5]. Главным недостатком такого модулятора является высокий коэффициент нелинейных искажений, который достигает при девиации фазы

П

ех.

о

4

О

Т

5

и

вых.

2

&

Рисунок 2 Фазовый модулятор: 1 — емкость, , — индуктивность, 3 — фоторезистор, 4 — источник света, 5 — световод

На вход схемы подается высокочастотный сигнал £/вх с частотой = ^\/2ЬС, гДе ^ и С — соответственно индуктивность и емкость. В этом случае коэффициент передачи схемы при любом сопротивлении фоторезистора равен 1 и паразитной АМ не будет. Модулирующий сигнал (сигнал сообщения) подается на

Аф= 0,52 рад, К = 7,5 %, а в ряде случаев превы- источник света. Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения по световоду, поступает на фоторезистор. Прово-

и

шает нормы для передатчиков низовои связи

(К = 15 %) [1]. Высокий коэффициент нелинейных искажений связан с тем, что в каче- димость фоторезистора изменяется в соответ-

стве управляемого сопротивления применяет ся нелинейный элемент —

ствии с оптическим сигналом, а, следовательно,

полевой транзис- и с сигналом сообщения. В результате фаза вы-

О

тор, проводимость которого нелинейно зависит сокочастотного сигнала на выходе устройства

от модулирующего сигнала:

будет изменяться по закону:

ия «Физико-математические науки»

(р = 2агЩ{о)Ьо),

(9)

где а — проводимость фоторезистора. При небольших изменениях проводимости А/? / /?ср = 0,6, а, следовательно, уровне освещенности, фоторезистор является линейным элементом, и его проводимость, в отличие от полевого транзистора, линейно зависит от интенсивности света, т. е. от управляющего сигнала. Применение световода для передачи модулирующего сигнала, преобразованного в оптический, позволяет снизить помехи, вносимые в сигнал паразитными связями, а также обеспечить высокую скрытность источника сообщения. Это связано с тем, что источник сообщения может быть удален от радиостанции с фазовым модулятором на значительное расстояние. Световод не излучает электромагнитных волн, а оптический сигнал в световоде неподвержен помехам.

МЛ

о*

и

п

6

Рисунок 3

Передатчик с амплитудной модуляцией:

1 — перестраиваемый генератор, 2 — фоторезистор, 3 — усилитель, 4 — световод, 5 — источник света, интенсивность которого меняется по закону модулирующего сигнала,

6 — антенна

Рисунок 4

Анализатор спектра электрических сигналов:

1 — усилитель, 2 — фоторезистор, 3 — фильтр низких частот, 4 — световод, 5 — гетеродин, 6 — регистрирующее

устройство

На рис. 3 и 4 приведены блок-схемы передатчика с модулятором на основе резисторно-го оптрона и анализатора спектра электрических сигналов соответственно.

Достоинством таких схем является гальва-

\

ническая развязка сигналов, что резко упрощает устройство смесителей.

Проведенное рассмотрение показывает, что фоторезистор в оптроне может выполнять большинство функций транзисторной электроники, связанных с обработкой сигналов. При этом в фоторезисторе возможно совмещение функций приема и обработки оптического сигнала, несущего информацию, что резко уменьшает число

I • .

связей между элементами в устройствах обработки информации, обеспечивая непрерывность перехода из оптических линий передачи информации в электронные.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры и методы измерений.

2. Денисов Б. Н., Беглов В. И. // Труды Российского научно- технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова. Серия: науч. сессия, посвященная Дню радио. Вып. ЬХ-2, Москва 17—19 мая. 2005. С. 6 — 8.

ш

3. Денисов Б. Н., Беглов В. И. Нищев К. Н., Турышев В. Н. Передатчик с амплитудной модуляцией. Патент 39240, Россия, МПК-7 Н 03 С 5 / 02. Опубл. 20.07.2004 г. Бюл. № 20.

4. Денисов Б. Н. Фазовый модулятор / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина, В. И. Беглов // Патент № 36069. Россия. МПК-7 Н 03 С 5 / 02. Опубл. 20.02.2004 г. Бюл. № 5.

5. Радиопередающие устройства / под ред. В. В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь. 1996.

Поступила 14.03.07.

98

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2007 | № 3