Фазовый детектор

Простейший ФД — логический элемент «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». При подаче на вход этого элемента двух прямоугольных колебаний равных частот с равной скважностью, например, меандры, с нулевым фазовым сдвигом его выходное напряжение равно нулю (логический 0). При ненулевом сдвиге фаз на выходе элемента формируются импульсы, среднее значение которых прямо пропорционально фазовому сдвигу и достигает максимума (на выходе логическая 1) при сдвиге равном ${\displaystyle \pi }$ в случае сигналов со скважностью 2. Фазовый детектор этого типа нечувствителен к знаку разности фаз, поэтому для получения монотонной зависимости выходного сигнала от разности фаз один из сигналов должен иметь начальный фазовый сдвиг, оптимально равный ${\displaystyle \pi /2}$ для меандров. Для усреднения импульсного выходного сигнала на выходе этого фильтра устанавливают фильтр нижних частот (ФНЧ).

Другой тип ФД — это четырёхквадрантные перемножители двух входных сигналов, которые часто называют балансными смесителями. На выходе балансного смесителя присутствуют удвоенная частота входных сигналов и постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз, что следует из выражения:

${\displaystyle \sin(\omega t+\alpha )\cos(\omega t+\beta )={\sin(\omega t-\omega t+\alpha -\beta ) \over 2}+{\sin(2\omega t+\alpha +\beta ) \over 2}={\sin(\alpha -\beta ) \over 2}+{\sin(2\omega t+\alpha +\beta ) \over 2}.}$

Первое слагаемое результата перемножения не зависит от времени, а только от разности фаз, и представляет собой постоянную составляющую на выходе фазового детектора. Второе слагаемое — гармоническое колебание с удвоенной частотой входных сигналов — высокочастотной составляющей. Обычное применения балансного смесителя — в качестве смесителя частот. Если же балансный смеситель предназначен для выделения разности фаз сигналов равных частот, то высокочастотную составляющую отфильтровывают с помощью ФНЧ.

Если разность фаз сигналов невелика, то выходной сигнал фазового детектора приближенно линейно зависит от разности фаз в соответствии с приближённым равенством — ограничения разложения функции синуса в ряд Маклорена ${\displaystyle \sin x=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+...}$ первым членом:

${\displaystyle \sin(\alpha -\beta )=\alpha -\beta .}$

Схемотехнически балансные смесители обычно строятся по схемам кольцевых модуляторов или по схеме ячейки Гилберта.

ФД этого типа чувствительны к относительному положению фронтов входных сигналов. Например, если сигнал А опережает сигнал Б, то на выходе этого ФД формируются импульсы положительной полярности с длительностью пропорциональной разности фаз и с частотой повторения равной частоте входных сигналов. Если сигнал Б опережает сигнал А, то на выходе формируются импульсы отрицательной полярности. Для получения выходного напряжения, пропорционального разности фаз на выходе ФД применяют ФНЧ.