Detektor synchroniczny AM - warto?

[Tomek Janiszewski]

A miało być bez PLL... Tymczasem, skoro już o zaawansowane układy scalone się oparło - przypomnę że istnieje jeszcze TDA440 (A240D) przeznaczony do toru wizji OTV (łatwo znaleźć go w złomowanych odbiornikach) i zawierający regulowany wzmacniacz p.cz. oraz synchroniczny detektor amplitudy. Ten ostatni współpracuje z obwodem rezonansowym wydzielającym częstotliwość nośną z ograniczonego sygnału p.cz. Zamiast obwodu na 38MHz należy użyć obwodu na 465kHz (np. 102 albo 131) i oczywiście poprzedzić kość złożonym filtrem p.cz., np. FCH465. Trzeba jeszcze tylko ogarnąć ARW (w oryginalnym zastosowaniu - kluczowaną) tak aby pracowała w sposób ciągły.

[Romekd]

Czołem.
Miało być również na elementach dyskretnych, a nie scalonych, jednak "ktoś" zaczął w wątku pisać o układach scalonych, przy okazji podając nieprawdziwe informacje, przez co wątek zboczył z tytułowego tranzystorowego detektora synchronicznego na zupełnie inne tematy... Sam "przy okazji" dałem się w to wciągnąć i sam zacząłem zaśmiecać topic, choć pokazany przez autora wątku, Kolegę Nieliniowego, schemat był ciekawy i miał szansę działać jako tytułowy detektor...

Pozdrawiam
Romek

[Tomek Janiszewski]

Detektory synchroniczne na elementach dyskretnych to się robiło z wykorzystaniem diod germanowych oraz transformatorów symetryzujących, szeroko-lub wąskopasmowych ale obowiązkowo nawijanych bifilarnie. Jak już się w to pakować - należy robić to porządnie, bo pierwszy z brzegu element nieliniowy użyty byle jak, tak że nie może być mowy o jakimkolwiek równoważeniu się sygnałów wejściowych da w efekcie nie tyle detektor synchroniczny, ile raczej coś co trafnie określono mianem produkt detektora . Z naprodukowanego w nim konglomeratu sygnałów wejściowych oraz najrozmaitszych kombinacji ich harmonicznych niełatwo będzie wyłowić użyteczny sygnał, przynajmniej tak aby dało to rezultat lepszy niż najprostszy detektor obwiedniowy. I warto też zadbać aby generator synchronizowany (o ile się go stosuje) nie zapaskudzał swoim sygnałem wejścia detektora które nie jest przeznaczone dla niego tylko dla sygnału wejściowego. A i nawet wówczas wszystko weźmie w łeb gdy faza nośnej w sygnale wejściowym oraz sygnału z generatora nie będą się zgadzać.

[Nieliniowy]

Udało mi się uruchomić oscylator w trochę zmienionej konfiguracji. Zakres "łapania" to około +/- 10kHz przy napięciu wejściowym 50mV. Rezystor 22k to tak na prawdę potencjometr 47k. Ustawione tak żeby na wyjściu była ładna sinusoida, co odpowiada napięciu około 7V na emiterze górnego tranzystora. Tranzystory to Chińskie 2n3904.

Ciekawa dyskusja,
nie zdawałem sobie sprawy ze były odmiany modulacji AM, które wymagają zwykłego detektora obwiedni.

[Nieliniowy]

Udało mi się odpalić prototyp w symulacji.
Układowo to jest już któraś tam wersja tego co proponowałem w tym wątku.

Widać jak generator startuje pierwszy. Synchronizacja jest po podaniu zmodulowanej P.CZ. w trzeciej milisekundzie.
Widmo sygnału zmienia się w momencie synchronizacji. Sam Generator bez pośredniej 455Khz oscyluje około 2KHz niżej.

Zbadam jak to się zachowuje przy zaniżonym napięciu zasilania.
Postaram się to zbudować i przetestować w moim prototypie na desce..

[Nieliniowy]

Wykres z modulacją 50% 1Khz, nośna 455KHz.

Bez lustra prądowego, jak się Panowie spodziewali, to był marny detektor. Nawet wersja poprawiona ma dosyć poważne zniekształcenie, objawiające się silną drugą harmoniczną sygnału audio. W praktyce to może brzmieć przyjemnie .. lampowo?

Jest parę rzeczy do poprawienia:
- Wzmacniacz wejściowy niesymetrycznie obcina, dolna obwiednia nie jest do końca obcięta. Chyba kwestia punktu pracy?
- Punkt pracy oscylatora też wymaga malej korekcji. Na samym obwodzie rezonansowym jest czysty sinus, znikome harmoniczne na poziomie -60dB.
- Zgodnie z oczekiwaniami, jest mała niezgodność fazy na wejściu detektora. Na oko 10..15 stopni. Może z tego bierze się ta druga harmoniczna?
Chyba przydał by się przesuwnik fazy żeby to jakoś skompensować.

Wizualnie to detektor klasy B który obecnie jest, zniekształca podobnie na oscyloskopie. Ale słuchowo jest dobrze. Nie mogę się doczekać odpalenia z detektorem synchronicznym i poprawionym wzmacniaczem M.CZ.
W standardowej skali doznań subiektywnych: Monika, R-124, Maria 801, TDA7000+UL1490, Meridian 206, Radmor .. to mam na razie R-124 i pół

[Nieliniowy]

Jeszcze jeden eksperyment.
Zlinearyzowany stopień detektora. Poprawiona polaryzacja Q1.
Teraz sinusoida na wyjściu jest bardziej symetryczna. Druga harmoniczna spadla czterokrotnie.
Symulacji jest tylko 10ms, wiec FFT nie jest bardzo dokładne..

Poziom P.CZ. na wejściu to około 800mV p-p, M.CZ. na wyjściu około 400mV p-p

[Tomek Janiszewski]

Próbowałeś zamienić miejscami synały (AM na dolny tranzystor, generator na parę różnicową)?
W takim wypadku można skutecznie linearyzować wejście dla sygnału AM nie obawiając się spadku wydajności detektora. Zarazem niezlinearyzowana para różnicowa będzie służyć jako dodatkowy ogranicznik amplitudy sygnału odniesienia. Przy dostatecznie dużej minimalnej amplitudzie (wielokrotnie większej od napięcia kT/q=26mV) geneator synchronizowany może okazać się zbędny. ewantualnie można zastapić go jeszcze jedną parą różnicową która wstępnie ograniczy amplitudę. Zauważ przy tym że sam tylko sygnał AM skompensuje się w lustrze i nie przedostanie się na wyjście bez udziału sygnału odniesienia. Obecnie para różnicowa obciążona lustrem w pełni wzmacnia ten sygnał i powstające na niej jego harmoniczne.
A w ogóle to zacznij myśleć o detektorze podwójnie zrównoważonym. W wersji tranzystorowej można wykorzystać układy UL1000, UL1102 lub UL1042. Gdy będziesz zgodnie z pierwotnymi założeniami uparcie trzymał się dyskretnych tranzystorów - w realu dojdą kolejne problemy które nie wychodzą w symulacji, a mające źródło w niesymetrii rzeczywistych par różnicowych. I w takim wypadku korzystniejsze jest doprowadzenie sygnału AM na dolne, zlinearyzowane piętro (w przypadku UL1000 należy włączyć rezystory bezpośrednio w emitery obu par różnicowych) a na piętro górne (bazy obu par różnicowych) doprowadzić sygnał odniesienia. Wskazane jest przy tym zachować symetryczne wyjście przez lustro prądowe, bo na wyjściowy transformator małej częstotliwości (jak to przewiduje podstawowa aplikacja UL1000) to raczej się nie zdecydujesz.
http://www.elenota.pl/datasheet-pdf/60667/CEMI/UL1000

[Nieliniowy]

Raczej będę się trzymał konstrukcji na tranzystorach dyskretnych.
Klasyki CEMI są dla mnie nieosiągalne. Poza tym, szkoda marnować na jakieś tam eksperymenty. Lepiej żeby zostały do naprawy sprzętu z epoki.
Większość zachodnich układów liniowych też wyszła dawno z produkcji. Tanich ale dobrych tranzystorów malej mocy to mam za to na kilogramy. Dlatego zupełnie się nie przejmuje ze używam tak ze 3 razy tyle w porównaniu z Unitrowskimi rozwiązaniami.

Ale.. układ UL1111 był by jak znalazł do takiego detektora.

[Nieliniowy]

Konfiguracja sugerowana przez Pana Tomka.
Na razie zachowuje się jak wersja #3 bez lustra prądowego, czyli bardzo niska wartość napięcia M.CZ.
Oczywiście nie wykluczam jakiegoś błędu w symulacji/schemacie..

Napięcia na wejściach demodulatora wyglądają w miarę poprawnie.

Tutaj napięcie na bazach górnego pietra, w odniesieniu do masy:

Tutaj napięcie na bazie dolnego tranzystora:

[Nieliniowy]

Problemem okazała się faza sygnału. Zamiana C9 na prymitywny przesuwnik fazowy RC poprawiła sytuacje. Dwa kondensatory 47pF i dwa oporniki 10k (podwójny filtr górnoprzepustowy RC) zrównały fazy na wejściu detektora. Wersja 4 (ostatnia) osiąga około 75mV M.CZ przy 800mV P.CZ. 50% modulacji sygnałem 1KHz. Diametralnie poprawiła się jakość sygnału M.CZ jeśli chodzi o harmoniczne. Problemem jest spadek napięcia na przesuwniku fazy. Straciłem około 70% amplitudy. Prawdopodobnie nie tedy droga..

Myślę żeby uprościć cały układ przez połączenie funkcji Q2 i Q3. Q3 będzie generatorem bezpośrednio synchronizowanym z ogranicznika Q1.
Dlaczego upieram się na generator synchroniczny zamiast prostego wzmacniacza-ogranicznika? Chodzi o prace z bardzo zaszumianym, słabym i niestabilnym sygnałem. Wydaje mi się ze przy ostrych zanikach nośnej, cały czas pracujący oscylator będzie lepiej sobie radził.
Radio docelowo będzie miało zakresy KF do nocnego słuchania bardzo odległych stacji. Czy myślicie ze jest sens robić długie fale?

[Nieliniowy]

Wersja z większa czułością wejścia dolnego, prawie dobija do 100mV p-p M.CZ.

[Tomek Janiszewski]

A co na tych wszystkich schematach robi jeszcze linearyzacja piętra górnego? Ile razy mam powtarzać że potrzebna jest tam jak dziura w moście?
Rolą piętra górnego, gdy doprowadzany jest do niego sygnał odniesienia z generatora lub ogranicznika jest przełączanie fazy sygnału AM doprowadzanego na tranzystor piętra dolnego, we współdziałaniu z lustrem prądowym. Piętro górne powinno być silnie przesterowane, aż do naprzemiennego zatykania się każdego z tranzystorów. A tu nie dość że sygnał sterujący piętrem górnym jest beznadziejnie słaby (na poziomie 100mV) to jeszcze "linearyzacja" dokonuje reszty. W tych warunkach wydajność detektora jest słaba, bo wszystkie jego elementy pracują praktycznie liniowo.
Skoro generator synchronizowany działa jako tako (tj. wzbudza się w symulacji a nawet łapie synchronizm) - zostaw go chwilowo na boku i zajmij się samym detektorem. Do piętra górnego doprowadź sygnał z zewnętrznego napięcia sinusoidalnego (co rozwiąże wszelkie problemy z prawidłowymi stosunkami fazowymi, o ile tylko prawidłowo zadeklarujesz fazę) i przekonaj się jaka może być wydajność detektora przy sfazowanym i dostatecznie silnym sygnale odniesienia. Przy okazji będziesz miał okazję przekonać się jak na wydajność i zniekształcenia wpływa wówczas linearyzacja górnego piętra. Przesuwanie fazy sygnału AM (zamiast fazy sygnału odniesienia) jest najgorszym pomysłem. Po co wprowadzać dodatkowe źródła zniekształceń, wynikłych z zaburzania równości amplitudy wstęgi górnej i dolnej?

[Nieliniowy]

A wiec po wielu eksperymentach, wychodzi na to ze wszystkie wejścia są właściwie liniowe. Górne piętro, z racji lustra prądowego, ma o wiele większe wzmocnienie niż dolne wejście. Linearyzacja ma na celu zmniejszenie wzmocnienia do sensownych wartości, i oczywiście zmniejszenie zniekształceń. Jak wszystko pracuje w zakresie liniowym to jest o wiele mniej harmonicznych. Filtr wyjściowy i tak wszystko tłumi, harmoniczne są w większości powyżej 455KHz. Wiec absolutna liniowość nie jest 100% konieczna, ale jak musze tyle zbić wzmocnienie, to dlaczego nie..
Bez lustra prądowego pewnie nie trzeba było by redukować wzmocnienia, ale wtedy para pracuje bardzo nie symetrycznie i spada stosunek odfiltrowanego sygnału do nośnej. Symetria układu wydaje się poprawiać sprawność i jakość detekcji. Dlatego sygnał podawany jest push-pull z symetrycznego uzwojenia.

Cewki L2, L3, L4, L5 to jeden transformator. Jak bym to miał robić to pewnie na rdzeniu toroidalnym.
Cewka L1 nie jest z niczym sprzężona.

Uprościłem cały układ i za jednym zamachem pozbyłem się problemów z fazą.
Jedyne nieeleganckie rozwiązanie to uzwojenie L5, koniczne do spranej synchronizacji. Bez niego zakres łapania nośnej jest wąski.
Niesymetryczna praca, na przykład niesymetryczne podawany sygnał na górze przez pojedyncze uzwojenie, też poprawia zakres synchronizacji ale kosztem zniekształceń.

Układ po 2 dniach eksperymentów prezentuje się tak:

Wyjście jest teraz super czyste:

Myślę teraz jak by tu prosto wydobyć stałą składową do ARW..
Jak widać na wykresie, jest obecna. Wyjściowy filtr RC jest troche na oko, trzeba by to policzyć albo osobno przesymulować pasmo.

[Tomek Janiszewski]

A wiec po wielu eksperymentach, wychodzi na to ze wszystkie wejścia są właściwie liniowe. Górne piętro, z racji lustra prądowego, ma o wiele większe wzmocnienie niż dolne wejście.

Jeżeli dokładnie 2 razy znaczy wiele... Dokładnie taki jest zysk na wzmocnieniu wynikający z samego zastosowanie lustra prądowego. Inne czynniki mogące wpłynąć na wzrost wzmocnienia - to różne wartości rezystorów emiterowych w obu piętrach, oraz zwiększenie impedancji obciążenia możliwe dzięki temu że lustro prądowe bierze na siebie rolę obciążenia dla składowej stałej.

Linearyzacja ma na celu zmniejszenie wzmocnienia do sensownych wartości, i oczywiście zmniejszenie zniekształceń. Jak wszystko pracuje w zakresie liniowym to jest o wiele mniej harmonicznych.

A także jest o wiele mniej produktów mieszania sygnału wejściowego i sygnału odniesienia, w tym także jedynego produktu użytecznego:
sygnału o częstotliwości równej różnicy częstotliwości obu sygnałów. Detektor jest jednym z tych układów którego działanie opiera się właśnie na nieliniowościach elementów wchodzących w jego skład (tranzystorów, diod, lamp) które to nieliniowości tak uparcie zwalczasz. Odnoszę wrażenie że z teorią jesteś zupełnie na bakier.

Filtr wyjściowy i tak wszystko tłumi, harmoniczne są w większości powyżej 455KHz. Wiec absolutna liniowość nie jest 100% konieczna

Mylisz się. Jeżeli dojdzie do przesterowania piętra na które doprowadzany jest sygnał demodulowany, to wśrod produktów pojawią się harmoniczne częstotliwości sygnału modulującego (np. obok sygnału zdemodulowanego 1kHz wystąpią jego harmoniczne 2kHz, 3kHz itp.) których filtr dolnoprzepustowy nie usunie. Tak więc trzeba wiedzieć gdzie nieliniowość jest niezbędna, a gdzie niepożądana,

ale jak musze tyle zbić wzmocnienie, to dlaczego nie...

A kto powiedział że musisz? Jedną z zalet detektora synchronicznego jest jego wysoka czułość: wystarcza mu praktycznie rzecz biorąc dowolnie słaby sygnał (o ile tylko uda się wytworzyć z niego synchronizowany sygnał odniesienia) podczas gdy detektor obwiedniowy wymaga dla zadowalającej czułości i liniowości przynajmniej kilku woltów.

Bez lustra prądowego pewnie nie trzeba było by redukować wzmocnienia, ale wtedy para pracuje bardzo nie symetrycznie i spada stosunek odfiltrowanego sygnału do nośnej.

Główną rolą lustra prądowego jest tutaj kompensacja sygnałów niepożądanych. Np. sygnału podawanego na dolne piętro. A w detektorze podwójnie zrównoważonym (np. na UL1102) kompensują się oba sygnały wejściowe, i żaden z nich nie pojawia się na wyjściu. Występują tam tylko produkty mieszania.

Symetria układu wydaje się poprawiać sprawność i jakość detekcji. Dlatego sygnał podawany jest push-pull z symetrycznego uzwojenia.

Przy tak niewielkich częstotliwościach symetryczne sterowanie górnego piętra (dla którego piętro dolne stanowi źródło prądowe) przynosi symboliczną tylko poprawę sytuacji.

Cewki L2, L3, L4, L5 to jeden transformator. Jak bym to miał robić to pewnie na rdzeniu toroidalnym.

A przecież można byłoby wykonać ten transformator jako jeden z selektywnych obwodów p.cz., na rdzeniu otwartym. Sens stosowania rdzeni toroidalnych pojawia się głównie w prostych odbiornikach krótkofalarskich, gdzie na detektor wchodzi sygnał w.cz. którego częstotliwość może zawierać się w bardzo szerokim zakresie, np. od 1,75MHz do 20MHz.

Uprościłem cały układ i za jednym zamachem pozbyłem się problemów z fazą.

Wykorzystanie dolnego piętra do generacji sygnału odniesienia niewątpliwie uprościło układ, ale kosztem pojawienia się dalszych niepożądanych produktów przemiany. Prąd kolektora w generatorze zawiera dużo więcej harmonicznych niż drgania w obwodzie rezonansowym (znów: na wykorzystaniu nieliniowości tranzystora opiera się stabilizacja amplitudy w takich prostych układach, niedasie zatem pozbyć się tej nieliniowości całkowicie). Innymi słowy: detektor staje się bardziej czuły nie tylko na sygnały o częstotliwości nośnej 455kHz ale i 910kHz, 1365kHz etc.

Jedyne nieeleganckie rozwiązanie to uzwojenie L5, koniczne do spranej synchronizacji. Bez niego zakres łapania nośnej jest wąski.

Żeby to było jedno tylko rozwiązanie nieeleganckie...

Myślę teraz jak by tu prosto wydobyć stałą składową do ARW..

Radziłbym jednak najpierw przetestować układ z linearyzowanym piętrem dolnym na które doprowadzany jest sygnał demodulowanym, i nielinearyzowanym piętrem górnym na które wchodzi sygnał odniesienia. Nie zaszkodzi też przetestować w symulacji detektor podwójnie zrównoważony (w realu można spróbować wykorzystać pary scalone w rodzaju MAT-cośtam lub BCM847 i BCM857). Dopiero taki układ wykaże pełne zalety detektora synchronicznego, to co robisz obecnie jest improwizacją zahaczającą jeszcze o epokę lamp. Trudno po takim czymś oczekiwać lepszych rezultatów niż po właściwie skonstruowanym detektorze obwiedniowym.

Jak widać na wykresie, jest obecna. Wyjściowy filtr RC jest troche na oko, trzeba by to policzyć albo osobno przesymulować pasmo.