Однотактный диодный фазовый детектор является простейшим вариантом аналогового детектора. Здесь важно отметить, что функцию аналогового фазового детектирования может выполнять любой смеситель частоты. Смеситель может суммировать или вычитать частоты, но в «нулевом» режиме, когда частоты на его входах равны, он превращается в фазовый детектор.

На рисунке 1.1 представлен простейший смеситель частоты (он же и фазовый детектор), составленный из резистора R и диода Д [1]. На входе смесителя действует сумма V₁ двух синусоидальных колебаний, в общем случае неравных частот. Под аргументами φ₁ (t) и φ₂ (t) на рисунке подразумеваются полные соответствующие фазы ω₁t+ψ₁ и ω₂t+ψ₂, где ω₁ и ω₂ – частоты и ψ₁ и ψ₂ – начальные фазы колебаний.

Рис. 1.1. Схема однотактного фазового детектора

Важной особенностью диода является нелинейность его вольтамперной характеристики, и нелинейность цепи, показанной на рисунке 1.1, можно выразить в общем виде рядом Маклорена

U₀=a+bU+cU²+dU³+… (1.1)

где a – постоянная составляющая и b, c, d… – некоторые коэффициенты, характеризующие вид нелинейности.

Наибольший интерес представляет квадратурная компонента ряда 1.1, поскольку в неё входит результат перемножения сигналов. Тогда напряжение V₂ на выходе схемы можно записать как

V₂=c [Acosφ₁ (t) +B cosφ₂ (t)] ²=

=c [A²/2 (1+cos2φ₁ (t) +2ABcosφ₁ (t) cosφ₂ (t)

+B² (1+ cos2φ₂ (t)].                                                                    (1.2)

После исключения вторых гармоник, которые в реальной схеме легко отфильтровываются, формула 1.2 принимает вид:

V₂=c [(A²+B²) /2+2ABcosφ₁ (t) cosφ₂ (t)] (1.3)

Заменив вторую компоненту формулы 1.3 её тригонометрическим эквивалентом, получим

V₂=c {(A²+B²) /2+ABcos [φ₁ (t) +φ₂ (t)] +cos [φ₁ (t) -φ₂ (t)]}. (1.4)

Первая компонента в полученном выражении 1.4 является бесполезной составляющей постоянного тока. Вторая компонента – это первая гармоника частоты сравнения, которая так же, как и вторая, отфильтровывается, и третья – собственно характеристика детектирования.

На рисунке 1.2 представлена практическая схема детектора (А) и его характеристики детектирования (Б).

Рис.1.2. Схема ФД (А) и его характеристики детектирования (Б)

Как отмечалось выше, это обычный амплитудный детектор, и принцип действия такого ФД можно пояснить, рассматривая его как схему детектирования на диоде Д суммы двух гармонических колебаний с амплитудами U₁ и U₂, получаемых через трансформаторы Тр1 и Тр2 от источников опорного и подстраиваемого сигналов (соответственно V_оп и V_гун). Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получается колебание той же частоты, амплитуда которого зависит как от амплитуд исходных колебаний, так и от разности их фаз. Результат детектирования E (φ) выделяется на резисторе R и ёмкости C. Последняя служит для шунтирования исходных высокочастотных колебаний.

Что касается характеристики детектирования, то здесь необходимы некоторые уточнения. Формула 1.4 для характеристики детектирования получена в предположении, что в ряде Маклорена 1.1 учтена только квадратурная компонента. Характеристика при этом имеет вид косинусоиды (кривая 1 на рисунке 1.2-Б). Чтобы получить такой её вид необходимо, чтобы одно из напряжений, например U₁ от опорного источника V_оп было бы достаточно большим и значительно превосходило по уровню напряжение U₂ от другого, подстраиваемого источника V_ГУН. Если же подходить ближе к условию U₁≈U₂, то характеристика сильно искажается и больше похожа на циклоиду (кривая 2). Кривые масштабированы таким образом, что их максимальные уровни одинаковы.

Каждая из приведенных характеристик имеет нисходящую и восходящую ветви. При этом здесь и далее надо иметь в виду, что при наличии двух подобных ветвей с положительной и отрицательной крутизной в системе ФАПЧ автоматически используется та ветвь, при которой обеспечивается отрицательная обратная связь. Характеристики имеют малый линейный участок, особенно в случае U₁≈U₂. Другой недостаток схемы – это зависимость выходного уровня от величины напряжений исходных сравниваемых по фазе колебаний. Характерно, что выход детектора однополярный.