Κυκλώματα διαμόρφωσης συχνότητας

Όπως γνωρίζουμε, το διαμορφωμένο σήμα FM είναι η απόκλιση ενός σήματος φορέα από την κεντρική του συχνότητα σύμφωνα με το διαμορφώνον σήμα. Ο φορέας παράγεται από ένα κύκλωμα LC του οποίου η συχνότητα καθορίζεται από τις τιμές L και C. Επομένως η μεταβολή της τιμής της χωρητικότητας C ή της αυτεπαγωγής L μπορεί να παράγει το διαμορφωμένο σήμα FM. Η συχνότητα του φορέα μπορεί επίσης,να παραχθεί από ένα κρυσταλλικό ταλαντωτή του οποίου η συχνότητα καθορίζεται από τον κρύσταλλο. Αυτό για το λόγο ότι, το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κρυστάλλου είναι ένα κύκλωμα LCR σειράς ή παράλληλου συντονισμού. Έτσι μεταβάλλοντας την τιμή της χωρητικότητας ενός εξωτερικού πυκνωτή συνδεδεμένου στο κρύσταλλο, μπορούν να ληφθούν μικρές μεταβολές στη συχνότητα λειτουργίας.

Ένα εξάρτημα που μεταβάλλει τη χωρητικότητα του με την εφαρμοζόμενη τάση είναι η δίοδος varicap. Αυτό είναι ένα εξάρτημα που αποτελείται από μια επαφή ημιαγωγού τύπου Ν και ημιαγωγού τύπου Ρ. Κατά τη λειτουργία της διόδου  varicap, αυτή πολώνεται ανάστροφα με αποτέλεσμα την διεύρυνση της περιοχής απογύμνωσης γύρω από την επαφή των ημιαγωγών, με πλάτος ανάλογο της εφαρμοζόμενης ανάστροφης τάσης. Η απογυμνωμένη περιοχή σαν μονωτικό αποτελεί το διηλεκτρικό ενός πυκνωτή που δημιουργείται από τα άκρα ημιαγωγού της διόδου varicap. Έτσι με αύξηση της ανάστροφης τάσης διευρύνεται η περιοχή απογύμνωσης με αποτέλεσμα να μειώνεται η χωρητικότητα της διόδου varicap. Με μείωση της συνεχής τάσης πόλωσης της διόδου varicap έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της χωρητικότητας της. Το σχήμα δείχνει ένα βασικό κυκλώματα διαμορφωτή συχνότητας με varicap.

 

Δυο δίοδοι varicap συνδέονται σε σειρά ανάποδα και αυτές παράλληλα προς την αυτεπαγωγή του ταλαντωτή. Οι δυο δίοδοι πολώνονται ανάστροφα με την εφαρμογή της τάσης πόλωσης στις καθόδους των διόδων που παράγεται από τις αντιστάσεις του διαιρέτη τάσης R₁ και R₂ και διαμέσου της αντίστασης απομόνωσης R₃. Το διαμορφώνον σήμα εφαρμόζεται δια μέσου ενός πυκνωτή στο κοινό ακροδέκτη των R₁ και R₂ του διαιρέτη τάσης και προκαλεί διακυμάνσεις της τάσης πόλωσης. Η αντίσταση R₃ έχει μεγάλη τιμή ώστε να εμφανίζει μεγάλη τιμή αντίστασης στο υψηλόσυχνο σήμα του ταλαντωτή και την άνετη διέλευση της τάσης πόλωσης, αφού οι δίοδοι παρουσιάζουν άπειρη αντίσταση στο dc καθώς είναι πολωμένες ανάστροφα.

Αποδιαμορφωτές συχνότητας

Για την ανάκτηση του σήματος πληροφορίας από ένα διαμορφωμένο σήμα FM, χρησιμοποιούνται διάφορα κυκλώματα αποδιαμορφωτών. Ένα ευρέα χρησιμοποιούμενο κύκλωμα αποδιαμορφωτή του παρελθόντος είναι ο διεκρινιστής Foster-Seeley καθώς και ο ανιχνευτής λόγου. Ο πρώτος φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα.

 

Το σήμα FM εφαρμόζεται στο πρωτεύον του μετασχηματιστή Τ₁. Το πρωτεύον και το δευτερεύον συντονίζονται στη συχνότητα φορέα με τους πυκνωτές C₁ και C₂. Το παράλληλο συντονισμένο κύκλωμα στο πρωτεύον του Τ₁ συνδέεται στο συλλέκτη του περιοριστή Q₁ που απομακρύνει τις διακυμάνσεις πλάτους από το FM σήμα.

Το σήμα στα άκρα του πρωτεύοντος του Τ₁ διέρχεται μέσω του πυκνωτή C₃ και εφαρμόζεται στα άκρα του τσοκ RFC όπου η τάση στα άκρα του που συμβολίζεται με V₃ και είναι η ίδια με την τάση του πρωτεύοντος του Τ₁, αφού οι C₃ και C₅ είναι βραχυκύκλωμα στη τάση φορέα.

Το ρεύμα που ρέει στο πρωτέυον πηνίο του Τ₁ επάγει μια τάση στο δευτερέυον. Το δευτερεύον διαθέτει κεντρική λήψη στην οποία είναι συνδεμένο το τσοκ RFC και έχει τάση V₃. Οι τάσεις V₁ και V₂ που επάγονται στα άκρα του δευτερεύοντος ως προς την κεντρική λήψη έχουν διαφορά φάσης 90^ο πάνω και κάτω από το σήμα V₃.

Το υπόλοιπο κύκλωμα αποτελείται από δυο κυκλώματα ανιχνευτών διόδων, όπου στους πυκνωτές C₄ και C₅ εμφανίζονται τα πλάτη των διανυσματικών αθροισμάτων των σημάτων V₁+V₃ και V₂+V₃ αντίστοιχα, ενώ ως έξοδο παίρνουμε την διαφορά αυτών των πλατών.

Στη συχνότητα φορέα που είναι και η συχνότητα συντονισμού, η επαγωγική αντίδραση του δευτερεύοντος πηνίου είναι ίση με τη χωρητική αντίδραση του C₂. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα σήματα  V₁και V₂ (τα οποία έχουν το ίδιο πλάτος) να εμφανίζουν διαφορά φάσης κατά 90^ο  πάνω και κάτω από το σήμα V₃. Έτσι τα πλάτη των αθροισμάτων  V₁+V₃ και V₂+V₃ που εμφανίζονται στους πυκνωτές C₄ και C₅ αντίστοιχα είναι ίσα επομένως η έξοδος που είναι η διαφορά τους θα είναι μηδέν.

Αν η συχνότητα εισόδου μεταβληθεί όπως σε ένα σήμα FM, το δευτερεύον δεν θα είναι πια σε συντονισμό. Για παράδειγμα, αν η συχνότητα εισόδου αυξηθεί, η επαγωγική αντίδραση θα είναι μεγαλύτερη από την χωρητική κάνοντας το κύκλωμα επαγωγικό. Τότε η V₁ θα προηγείται της V₃ κατά γωνία φάσης μικρότερη 90^ο και η V₂ θα έπεται της V₃ κατά γωνία φάσης μεγαλύτερης από 90^ο . Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το πλάτος του διανυσματικού αθροίσματος των V₁ και V₃ να είναι μεγαλύτερο από το πλάτος του διανυσματικού αθροίσματος  V₂ και V₃ τα οποία πλάτη εμφανίζονται στους πυκνωτές  C₄ και C₅ και αφαιρούνται, οπότε θα έχουμε θετική τάση εξόδου. Όμοια αν η συχνότητα εισόδου είναι χαμηλότερη από τη συχνότητα συντονισμού δηλαδή τη κεντρική συχνότητα φορέα, θα έχουμε αρνητική τάση εξόδου.

Το κύκλωμα του παραπάνω διευκρινιστή είναι ευαίσθητο στις διακυμάνσεις πλάτους εισόδου. Γι’ αυτό το λόγο πρέπει να απομακρυνθούν όλες οι διακυμάνσεις πλάτους από το FM σήμα πριν την εφαρμογή του στο διευκρινιστή.

Ένας άλλος αποδιαμορφωτής FM είναι ο ανιχνευτής λόγου, ο οποίος είναι παρόμοιος με τον διευκρινιστή που περιγράψαμε παραπάνω και φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Το FM σήμα εφαρμόζεται στον RF μετασχηματιστή T₁  με κεντρική λήψη στο δευτερεύον. Το FM σήμα διέρχεται μέσω του πυκνωτή C₃ και εφαρμόζεται στα άκρα του τσοκ RFC. Το κύκλωμα χρησιμοποιεί δυο διόδους, αλλά σημειώστε ότι η φορά της D₂ είναι αντίθετη από εκείνη στο διευκρινιστή. Ένας πολύ μεγάλος πυκνωτής C₆ συνδέεται στα άκρα της εξόδου. Οι αντιστάσεις R₁ και R₂ είναι ίσες και η κοινή τους σύνδεση είναι στη γείωση. Οι πυκνωτές C₄ και C₅ και οι αντιστάσεις R₁ και R₂ σχηματίζουν ένα κύκλωμα γέφυρας.

Αν η συχνότητα του σήματος FM γίνει μεγαλύτερη από τη συχνότητα συντονισμού, η τάση στα άκρα του C₄ θα γίνει μεγαλύτερη από την τάση στα άκρα του C₅. Αντίστροφα, αν η συχνότητα του σήματος FM γίνει μικρότερη από τη συχνότητα συντονισμού, η τάση στα άκρα του C₅ θα γίνει μεγαλύτερη από εκείνη του C₄. Επειδή η τάση στα άκρα του C₆ είναι μέση τιμή του αθροίσματος των τάσεων στα άκρα των C₄ και C₅, η έξοδος θα είναι ανάλογη της απόκλισης της συχνότητας του διαμορφωμένου σήματος FM. Λόγω του μεγάλου πυκνωτή C₆ ο ανιχνευτής λόγου είναι ανεπηρέαστος στο θόρυβο και στις διακυμάνσεις πλάτους.