Такой детектор называют также синусоидальным [2] по той причине, что на его входе действуют два сравниваемых по фазе синусоидальных сигнала и его статическая характеристика также близка по форме к синусоиде.
Ещё одним существенным недостатком однотактного ФД, рассмотренного выше, является то, что его характеристика детектирования приподнята на величину, пропорциональную выражению (A2+B2) /2 (см. кривую 1 на рисунке 1.2), то есть эта величина изымается из возможного размаха характеристики и потому является не только бесполезной, но и вредной: из-за неё размах характеристики соответственно сокращается. Уменьшить названную величину, чтобы увеличить размах характеристики, можно лишь за счёт ухудшения линейности характеристики, как это видно из кривой 2 на том же рисунке. Для решения этой проблемы используют балансный детектор.
Сущность баланса состоит в том, что используются два идентичных однотактных детектора, включенных в общую схему. Каждый однотактный детектор имеет те же два входа с той лишь особенностью, что фаза одного из них инвертирована на одном диоде относительно фазы на другом диоде. Благодаря этому, постоянные составляющие на выходе каждого из них вычитаются на общем выходе.
Схема детектора показана на рисунке 1.3-А.
Рис. 1.3. Схема ФД (А) и его характеристика детектирования (Б)
Она состоит из двух трансформаторов Тр1 и Тр2, осуществляющих сложение колебаний опорной частоты и чстоты ГУН, и двух идентичных амплитудных детекторов. На верхний детектор (диод Д1) воздействует сумма напряжений U1/2 и U2, в результате чего на резисторе R1 возникает падение напряжения U3. Нижний диод Д2 детектирует разность этих напряжений, и на резисторе R2 создаётся падение напряжения U4, противофазное по отношению к U3. Выходное напряжение E (φ), после фильтрации с помощью ёмкостей С1 и С2, представляет собой разность напряжений U3 и U4. Когда сдвиг фаз между U1 и U2 составляет φ=, то напряжение E (φ) на выходе схемы равно E (φ) =0. При сдвиге фаз, отличающемся от E (φ) становится положительным или отрицательным в зависимости от знака сдвига относительно значения φ= как это показано, например, на диаграмме Б.
Главное достоинство этой схемы по сравнению с однотактной – значительно большая протяженность линейного участка статической характеристики. Недостатком описанной схемы, так же как и однотактной, является непосредственная зависимость E (φ) от величин входных напряжений.
Если входные напряжения Vоп и Vгун на столько малы, что вольтамперные характеристики диодов можно аппроксимировать рядом Маклорена, то у обоих детекторов зависимость выходного напряжения E от разности фаз φ может быть выражена как
E (φ) =cVОПVГУНcosφ
где с – постоянный множитель.
Эта зависимость, представляющая собой косинусоиду, показана на рисунке 1.3, диаграмма Б. Однако при этом соответственно получается и низкий уровень выходного напряжения. Объясняется это, во-первых, низким уровнем входных колебаний, а во-вторых, энергетической невыгодностью такого режима. Дело в том, что в таком режиме работы схемы лишь очень малая доля мощности исходных колебаний используется на формирование напряжения E (φ), большая же его часть рассеивается на диодах.
Выгоднее использовать режим больших входных напряжений при их приближённом равенстве. Тогда диоды работают в ключевом режиме, практически не потребляя энергии. В этом случае вольтамперные характеристики диодов могут быть аппроксимированы линейно-ломанной зависимостью, и вид характеристики детектирования в рабочей её области приближается к линейному:
E (φ) =Umax (𝛑/2φ),
где Umax – максимальный уровень напряжения на выходе.
Вид характеристики детектирования для такого случая представлен диаграммой 1 на рисунке 1.4. Здесь же, для сравнения, показана характеристика при малых уровнях входных сигналов (диаграмма 2). При этом следует отметить, что диаграммы 1 и 2 масштабированы таким образом, чтобы их крутизны в центре рабочей области были одинаковы. Это сделано для более ясного представления об их форме. В реальности же размах диаграммы 2 по вертикали во много раз меньше, чем диаграммы 1.
Рис. 1.4. Характеристики детектирования балансного ФД
Понятно, что в данной схеме необходим хороший баланс трансформатора Тр1 и идентичность диодов Д1 и Д2 между собой как по току, так и по величине паразитной шунтирующей ёмкости. Ёмкости C1 и C2 должны обеспечивать короткое замыкание на частоте входных колебаний.