Простые широкополосные низкочастотные фазовращатели

Схемы квадратурных фазовращателей на 90, 120 и 240 градусов

Широкополосные фазовращатели представляют собой линейные преобразователи, осуществляющие поворот фазы всех гармонических составляющих сигнала (при сохранении их амплитуд) на определённый угол, чаще всего на 90°. Также к фазовращателям могут применяться следующие названия: широкополосный квадратурный фазовращатель или квадратурный фильтр.
Наиболее часто подобные устройства используются в звукотехнике при создании устройств сдвига частоты, а также при формировании однополосного SSB сигнала многофазным методом.

Существует много различных вариаций фазосдвигающих цепей: от самых простых, описанных В. Т. Поляковым в книжке "Трансиверы прямого преобразования", до многокаскадных с применением большого количества операционных усилителей (с примером такого низкочастотного фазовращателя на 11 ОУ можно познакомиться в журнале Радио №7, 2007). Причём, если в первом случае довольно сложно добиться низкой погрешности фазового сдвига в заданной полосе, то во втором – сложность и необходимость очень точного подбора большого количества пассивных элементов делают такие устройства малопривлекательными для повторения.

Мы же здесь остановимся на промежуточном варианте, а конкретно – на устройстве широкополосного фазовращателя, опубликованном в журнале Радио №3, 2010, под авторством Л. Королёва.

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

В данной статье рассмотрены схемы, построенные на пассивных элементах, как обеспечивающих максимальную надёжность. Исключением служит входной фазорасщепитель на транзисторе, осуществляющем питание цепей фазовращателя двумя одинаковыми по амплитуде противофазными сигналами.


Рис.1 Схема низкочастотного широкополосного фазовращателя на 90°

Фазовращатель, схема которого показана на Рис.1, обеспечивает фазовый сдвиг между выходными сигналами 90 град. в частотной полосе 50... 10000 Гц с погрешностью не более 3 град. Коэффициент передачи фазовращателя по напряжению – приблизительно 0,4.
Последующие входные цепи должны быть высокоомными – не менее нескольких мегаом. После установки линейного режима работы транзистора VT1 добиваются равенства значений амплитуды переменного напряжения на эмиттере и коллекторе подборкой резистора R1 (базовые цепи на схеме не показаны).
На схеме указаны стандартные номиналы элементов фазовращателя, а в Таблице 1 – точные значения сопротивления резисторов и ёмкости конденсаторов. Эти элементы необходимо подобрать с точностью не хуже 1 %. ТКЕ конденсаторов должен быть не хуже М150. Желательно предусмотреть возможность подборки в небольших пределах резисторов R10, R11 и конденсаторов С7, С8.

Таблица 1

Сопротивление	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10, R11
(кОм)	139	5,6	438	36	298	23,8	78,6	100
Ёмкость	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7	С8
(пФ)	3446	909	11370	5180	909	33100	2724	2724

Постоянное напряжение на резисторах R10, R11, поступающее с эмиттера и коллектора транзистора VT1, может быть использовано для установки режима последующих ступеней. Постоянные и переменные составляющие напряжения при этом должны быть, разумеется, разделены.
В Таблице 2 представлены точные значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов более совершенного фазовращателя, собранного по схеме на Рис.1. Этот фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы 90 град, в частотной полосе 200... 10000 Гц с точностью около 1 град. Элементы должны быть подобраны с точностью не хуже ±1 %, а конденсаторы – иметь ТКЕ не хуже М150.

Таблица 2

Сопротивление	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10, R11
(кОм)	297	13,9	1100	76,5	480	50,3	138	100
Ёмкость	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7	С8
(пФ)	883	255	2432	1351	255	7432	1208	1208

В отдельных случаях возникает необходимость применения широкополосного фазо­вращателя с фазовым сдвигом 120 град.


Рис.2 Схема низкочастотного широкополосного фазовращателя на 120°

На Рис.2 изображена схема фазовращателя, обеспечивающего такой сдвиг фаз в частотной полосе 200...6800 Гц с погрешностью около 3 град. Стандартные номиналы элементов указаны на схеме, а точные значения сопротивления резисторов и ёмкости конденсаторов – в Таблице 3. Требования к радиоэлементам аналогичны указанным выше.

Таблица 3

Сопротивление	R3	R4	R5	R6	R7	R8
(кОм)	10,65	72,55	10,65	72,55	51	51
Ёмкость	С1	С2	С3	С4	С5	С6
(пФ)	4267	626	38500	5652	891	8039

Третья фаза со сдвигом 240 градусов получается суммированием двух равных по амплитуде сигналов, сдвинутых по фазе на 120 градусов, и инвертированием суммарного напряжения.

Литература:
1. Авраменко А. А., Галямичев Ю. П., Ланнэ А. А. Электрические линии задержки и фазовращатели. - М.- Связь. 1973.
2. Верзунов М. В. Однополосная модуляция в радиосвязи. - М.: Воениздат. 1972.
3. Королев Л. Д. Устройства сдвига частоты на электромеханических преобразователях. - Сб. "В помощь радиолюбителю", вып. 90. 1985.