Лекция 26

Анодная и коллекторная амплитудная модуляция: принцип, схемы, статические модуляционные характеристики. Энергетические и качественные показатели. Основы инженерного расчёта. Схемы модуляторов. Модулятор с последовательным включением транзисторов. Комбинированные (двойная и тройная) анодная и коллекторная модуляции.

При анодной модуляции напряжение модулирующего сигнала заводится в цепь питания анода и управляет амплитудой импульсов соответственно и амплитудой первой гармоники анодного тока. Другие напряжения питания лампы, такие как смещение Е_С и возбуждение U_MC , остаются неизменными. Аналогично в транзисторном генераторе при осуществлении коллекторной модуляции напряжение модулирующего сигнала заводится в цепь питания коллектора и управляет амплитудой импульсов и амплитудой первой гармоники коллекторного тока. Смещение Е_Б и возбуждение U_МБ остаются неизменными.

Как ниже увидим, системы с анодной и коллекторной модуляцией обладают более высокой энергетической эффективностью, чем системы с модуляцией смещением (то есть с сеточной и базовой модуляцией). В связи с этим схемы анодной модуляции находят очень широкое применение в мощных радиовещательных и телефонных радиопередатчиках. Коллекторная модуляция является основным видом амплитудной модуляции (АМ), применяемой в транзисторных генераторах.

Возможные схемы генераторов с анодной и коллекторной АМ представлены на рис.26.1,а,б соответственно. В представленных схемах использовано последовательное питание анода (коллектора), что более наглядно, но непринципиально для рассмотрения сути и основных положений данного вида АМ.

При анодной модуляции напряжение питания анода изменяется по закону

, (26.1)

где Е_АН – постоянное напряжение анодного питания в режиме несущей частоты (режим молчания); U_AΩ – амплитуда модулирующего напряжения; m = U_AΩ /Е_АН – коэффициент модуляции анодного напряжения.

Аналогично при коллекторной модуляции

, (26.2)

где Е_КН – постоянное напряжение питания коллектора в режиме несущей частоты (режим молчания); U_КΩ – амплитуда модулирующего напряжения; m = U_КΩ /Е_КН – коэффициент модуляции коллекторного напряжения.

Зависимости I_A1(Е_А), I_А0(Е_А) в ламповом генераторе и I_К1(Е_К), I_К0(Е_К) в транзисторном генераторе представляют статические модуляционные характеристики (СМХ) соответственно при анодной и коллекторной модуляции. Эти зависимости рассматривались нами в лекции 8 при изучении зависимости режима ГВВ от напряжения питания выходной цепи АЭ (рис.8.15 – рис.8.17). СМХ генераторов с анодной и коллекторной АМ показаны на р ис.26.2,а, б соответственно.¹

Об особенностях СМХ (рис.26.2,а, б) мы поговорим ниже, а сейчас отметим, что, как видно из модуляционных характеристик, возрастание амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока с увеличением напряжения на аноде (коллекторе) имеет место в области недонапряжённого режима (активная область у транзистора) и в перенапряжённом режиме (область насыщения у транзистора). Следовательно, анодная и коллекторная АМ могут быть осуществлены в недонапряжённом и перенапряжённом режимах ГВВ. Однако недонапряжённый режим, как правило, не используется, за исключением редких случаев ламповых генераторов на СВЧ. Во-первых, недонапряжённый режим, как мы знаем, энергетически невыгоден; во-вторых, в области недонапряжённого режима крутизна СМХ мала (если D = 0, то S_МХ = 0 в области недонапряжённого режима) и не может быть получена 100% модуляция, так как ток не уменьшается до нуля в области недонапряжённого режима. Поэтому наиболее широко, если не сказать, что исключительно, анодная и коллекторная АМ осуществляются в перенапряжённом режиме работы генератора. Именно на рассмотрении такой модуляции мы и остановимся в настоящей лекции.

Если принять СМХ при анодной (коллекторной) модуляции в перенапряжённом режиме линейными и выходящими из начала координат, то изменение напряжения на аноде по закону (26.1) или напряжения на коллекторе по закону (26.2) вызывает соответствующее изменение амплитуды первой гармоники анодного тока

или коллекторного тока

,

где в обоих случаях m – коэффициент модуляции анодного (коллекторного) тока, равный коэффициенту модуляции соответствующего напряжения; I_A1Н, I_К1Н – амплитуда первой гармоники анодного (коллекторного) тока в режиме несущей частоты (режим молчания).

В режиме максимальной мощности анодное (коллекторное) напряжение

,

анодный (коллекторный) ток

.

Колебательная мощность, которую должна обеспечить лампа или транзистор в максимальном режиме,

, (26.3)

где ξ_МАКС – коэффициент использования анодного (коллекторного) напряжения в максимальном режиме. Очевидно, для режима максимальной мощности может быть допущен критический по напряжённости режим, являющийся оптимальным режимом для ГВВ без модуляции.

В ламповых генераторах параметры модуляции обычно выбираются такими, что в режиме несущей частоты постоянное напряжение на аноде лампы равно своему номинальному (паспортному) значению, то есть Е_АН = Е_{А НОМ}. При этом, согласно (26.1), результирующее напряжение питания на аноде лампы в отдельные моменты времени будет превышать номинальное напряжение. Однако подобный режим кратковременный и, как правило, не является опасным для лампы.

Ток I_А1МАКС в режиме максимальной мощности равен максимальному (номинальному) значению тока для данной лампы, то есть

I_А1МАКС = I_А1НОМ.

В режиме несущей частоты при линейной модуляции

I_А1Н = I_А1МАКС/(1+m) = I_А1НОМ/(1+m). (26.4)

При анодной модуляции в перенапряжённом режиме в силу линейной зависимости I_A1(Е_А) (рис.26.2,а) уравнение СМХ описывается уравнением прямой линии, проходящей через начало координат, то есть справедливо считать

I_А1 = k₁Е_А, (*)

где k₁ – коэффициент, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой линии относительно оси Е_А.

При этом оказывается, что коэффициент использования анодного напряжения остаётся при модуляции неизменным, то есть одинаковым во всех режимах. Действительно,

. (26.5)

Учитывая (26.4), (26.5) для мощности максимального режима (26.3) можно записать

, (26.6)

где P_~НОМ – номинальная мощность лампы (колебательная мощность, отдаваемая лампой в номинальном режиме).

С другой стороны, согласно общим положениям АМ,² мощность максимального режима

. (26.7)

Из равенства последних соотношений следует, что при анодной модуляции лампа должна выбираться на мощность

. (26.8)

При 100% модуляции (m = 1) согласно (26.6), (26.7)

.

Соответственно

P_~НОМ = P_~МАКС/2 = 2P_~Н. (26.9)

Таким образом, при анодной модуляции лампа в отдельные моменты времени отдаёт мощность больше номинальной (паспортной). При этом в максимальном режиме при 100% модуляции отдаваемая лампой мощность превышает её номинальную мощность в 2 раза. Такой результат объясняется тем, что при анодной модуляции лампа полностью используется по току в максимальном режиме при напряжении на аноде в 2 раза больше номинального. На рис.26.3 показаны ДХ анодного тока лампы при использовании её в ГВВ без модуляции в оптимальном режиме и для максимального режима при использовании этой лампы в генераторе с анодной модуляцией. Как видно из ДХ, при анодной модуляции лампа переиспользуется по напряжению в 2 раза.

Опыт показывает, что отечественные генераторные лампы допускают 100% анодную модуляцию при анодных напряжениях в режиме несущей частоты (молчания), равных номинальным значениям, но не свыше (11…12) кВ. В противном случае в режиме несущей частоты, если необходимо получить 100% модуляцию, напряжение Е_АН должно выбираться меньше Е_АНОМ. Некоторое уменьшение Е_АН по сравнению с Е_{А НОМ} желательно также в генераторах коротковолнового диапазона (декаметровые волны), так как это позволяет уменьшить требуемое значение R_oe и повысить КПД анодного контура. При Е_АН < Е_{А НОМ} и m = 1 номинальная мощность лампы, в отличие от (26.9), должна удовлетворять условию

P_~НОМ > 2P_~Н.

В предельном случае, когда Е_{А МАКС} = Е_{А НОМ}, лампа должна выбираться на такую же номинальную колебательную мощность, как и при сеточной модуляции, то есть

В этом случае никакого отличия в выборе лампы по величине необходимой колебательной мощности для генератора с анодной модуляцией по сравнению с сеточной модуляцией нет.

Обратим внимание, что в мощных генераторах с анодной АМ мгновенное напряжение на аноде лампы в режиме максимальной мощности достигает очень больших значений. Например, при Е_АН = Е_{А НОМ} = 10 кВ; ξ = ξ_КР = 0,9; m =1

Конструкция лампы должна выдерживать столь большое напряжение. В противном случае необходимо выбирать Е_АН < Е_{А НОМ}.

Для мощных генераторных ламп в целях увеличения срока их службы часто принимают

Е_АН = (0,7…0,8) Е_{А НОМ}.

Номинальная мощность транзистора, в отличие от лампы, определяется при полном использовании по току и по напряжению. Следовательно, транзистор не имеет запаса по напряжению и при осуществлении 100% коллекторной модуляции предельное значение Е_{К МАКС} = Е_{К НОМ}, соответственно

Е_КН = Е_{К НОМ}/2.

Номинальная мощность транзистора для генератора с коллекторной модуляцией должна удовлетворять условию

(26.10)

и оказывается такой же, как для генератора с базовой АМ.

При условии линейности коллекторной модуляции для неё справедливы соотношения (26.3) – (26.5).

Если принять, что при анодной (коллекторной) АМ постоянная составляющая анодного (коллекторного) тока линейно зависит от напряжения на аноде (коллекторе), то есть

,

где k₀ – коэффициент, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой линии относительно оси Е_А,

то, учитывая линейную зависимость амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока от этих напряжений (см. (*))

и постоянство коэффициента использования напряжения питания анода (коллектора) (26.5) при модуляции, получаем для КПД анодной (коллекторной) цепи

Так как генераторная лампа или транзистор при анодной (коллекторной) модуляции находится в перенапряжённом режиме, для которого характерен высокий КПД по аноду (коллектору), то из последнего соотношения следует, что КПД анодной (коллекторной) цепи остаётся таким же высоким и в режиме несущей частоты. Очевидно, средний за период модулирующего сигнала КПД анодной (коллекторной) цепи будет таким же. В последнем можно также убедиться, рассматривая следующие соотношения.

Средняя потребляемая по анодной (коллекторной) цепи мощность генератора с анодной (коллекторной) модуляцией

Так как ,

то

.

Таким образом, при анодной (коллекторной) модуляции средний КПД анодной (коллекторной) цепи, характеризующий энергетическую эффективность модулируемого генератора, выше раза в два, чем у генератора с модуляцией смещением (сеточной, базовой).

В радиопередатчиках анодную (коллекторную) модуляцию осуществляют в выходном каскаде, который потребляет (60…70)% всей подводимой к передатчику мощности и этим предопределяет его промышленный КПД. Если анодную (коллекторную) модуляцию осуществить в промежуточном каскаде радиопередатчика, то выходной каскад его будет работать в режиме усиления АМ колебаний и в этом случае энергетические преимущества анодной (коллекторной) модуляции в передатчике в целом не реализуются.

Все приведенные выше результаты получены и, соответственно справедливы, в предположении линейности СМХ. Однако при неизменном смещении в модуляционной характеристике I_А1(Е_А) вблизи значений Е_А ≈ 0 появляется криволинейный участок (рис.26.2,а), обусловленный более резким перераспределением катодного тока между анодом и сеткой лампы на начальном участке СМХ. При Е_А = 0 анодный ток также равен нулю, а ток управляющей сетки имеет максимальное значение и равен катодному току. На начальном участке СМХ коэффициент использования напряжения анодного питания получается несколько больше, чем в точках максимального режима и режима несущей частоты. Наличие криволинейного участка СМХ приводит к увеличению нелинейных искажений при глубокой модуляции (при m → 1). Чтобы избежать этого, искусственно ослабляют напряжённость режима за счёт автоматического смещения в цепи управляющей сетки. При этом имеет место дополнительная модуляция в цепи управляющей сетки за счёт изменения напряжения смещения. Можно подобрать такую величину сопротивления автосмещения R_C в цепи сетки, при котором СМХ I_А1(Е_А) будет настолько близка к прямой линии, что для её построения достаточно воспользоваться двумя точками: I_А1 = I_А1МАКС и I_А1 = 0. СМХ постоянной составляющей анодного тока I_А0(Е_А) также спрямляется. Кроме того, автоматическое смещение уменьшает сеточный ток (рис.26.4).

В транзисторном генераторе с коллекторной АМ СМХ I_К1(Е_К) выходит не из начала координат, а несколько правее, из точки, в которой Е_К ≈ U_МБ (рис.26.2,б). При Е_К < U_МБ переход коллектор – база открывается и появляется коллекторный ток обратного направления, что обусловливает большие нелинейные искажения с увеличением глубины модуляции и ухудшает энергетические показатели генератора (это обстоятельство отмечалось нами в лекциях 3 и 4). Для исключения этого недостатка вместе с уменьшением напряжения Е_К уменьшается напряжение U_МБ, что достигается их одновременной модуляцией, о чём мы поговорим несколько ниже. С этой же целью иногда применяется базовое автосмещение.

Применение сеточного автосмещения в ламповом генераторе с анодной модуляцией и модуляция напряжения возбуждения в транзисторном генераторе с коллекторной модуляцией позволяют обеспечить практически неискажённую 100% модуляцию на выходе генератора.

Остановимся на расчёте энергетических показателей генераторов с анодной и коллекторной модуляцией, отмечая в соответствующих местах особенности этих генераторов.

Расчёт генератора с анодной (коллекторной) модуляцией проводится в следующем порядке.

В начале рассчитывается режим максимальной мощности. При этом лампа выбирается на мощность (26.8)

,

а транзистор на мощность (26.10)

.

Если P_~Н – мощность в режиме несущей частоты в полезной нагрузке, то лампа (транзистор) выбирается по мощности с учётом КПД контура (цепи согласования).

Режим максимальной мощности выбирается критическим или слабо перенапряжённым, когда

.

Выбор слабо перенапряжённого режима способствует линеаризации СМХ I_А1(Е_А) и I_К1(Е_К) в их верхней части.

Коэффициент использования напряжения анодного (коллекторного) питания в критическом режиме работы АЭ

.

Нижний угол отсечки анодного тока в максимальном режиме выбирается около 90⁰. Аналогично выбирается нижний угол отсечки коллекторного тока (если смещение равно нулю, то угол отсечки коллекторного тока несколько меньше 90⁰).

Приняв в максимальном режиме или в пределах , находим амплитуду выходного колебательного напряжения в максимальном режиме

и амплитуду первой гармоники анодного (коллекторного) тока

.

Дальнейший расчёт ведётся по формулам в зависимости от выбора критического или перенапряжённого режима.

В ламповом генераторе при расчёте режима максимальной мощности может оказаться, что рассеиваемая на аноде мощность

Р_{А МАКС} = Р_0МАКС – Р_~МАКС > Р_{А ДОП}.

Однако это обстоятельство не имеет существенного значения, так как режим максимальной мощности является кратковременным по сравнению с периодами молчания. Более того, как ниже увидим, режим молчания при анодной (коллекторной) модуляции с точки зрения рассеиваемой на аноде (коллекторе) мощности, в отличие от модуляции смещением, не является самым тяжёлым.

Режим несущей частоты (режим молчания) рассчитывается, исходя из линейности модуляционной характеристики, то есть

.

Мощности потребления и рассеяния на аноде (коллекторе) соответственно равны:

.

Так как при анодной (коллекторной) модуляции

,

то

.

Согласно последнему соотношению при одной и той же мощности в режиме несущей частоты (режим молчания) при анодной (коллекторной) модуляции мощность рассеяния на аноде лампы (коллекторе транзистора) в 5…6 раз меньше, чем при модуляции смещением (сеточной и базовой модуляциях).³ Однако режим несущей частоты с точки зрения теплового режима анода или переходов транзистора не является самым опасным. Более тяжёлым является средний за период модулирующего сигнала режим, когда

.

Для лампы должно выполняться условие

P_{А СР} ≤ P_{А ДОП}.

Учитывая приведенные выше соотношения, можно считать, что должно быть

.

При m = 1

.

Последнее соотношение необходимо также учитывать при выборе лампы для генератора с анодной модуляцией, то есть лампа должна подходить по номинальной колебательной мощности и иметь допустимую мощность рассеяния на аноде не меньше возможной при заданной мощности генератора.

В транзисторном генераторе необходимо проверить температуру перехода, исходя из мощности P_{К СР} и мощности, рассеиваемой на базе в режиме несущей частоты P_{Б Н}.

В ламповом генераторе при расчёте режима несущей частоты (молчания) необходимо проверить тепловой режим управляющей сетки. Это особенно важно для современных генераторных ламп, которые работают со значительными сеточными токами и для которых мощность рассеяния на управляющей сетке ограничена. Для расчёта мощности P_{С Н}, рассеиваемой на сетке в режиме несущей частоты, необходимо знать составляющие токов в режиме несущей частоты (молчания) I_С0Н и I_С1Н. При использовании сеточного автосмещения СМХ I_C0(Е_А) (рис.26.4), а также СМХ I_C1(Е_А) получаются линейными. Телефонная (рабочая) точка выбирается на середине СМХ, а именно при

.

Величина тока I_С0Н может быть определена на основании рис.26.4, согласно которому

. (26.11)

Амплитуда первой гармоники сеточного тока в режиме несущей частоты

,

где – соответственно угол отсечки сеточного тока и коэффициенты разложения косинусоидального импульса сеточного тока по первой гармонике и постоянной составляющей в режиме несущей частоты (молчания).

После того, как найдены токи в сеточной цепи, расчёт мощности рассеяния на управляющей сетке проводится согласно известного соотношения (см. лекции 2 и 7):

. (26.12)

Необходимо, чтобы выполнялось условие P_{С Н} ≤ P_{С ДОП}.

Как следует из (26.11), (26.12), расчёт сеточной цепи в режиме несущей частоты связан с расчётом режима минимальной мощности, в котором сеточный ток достигает максимального значения (рис.26.4). Напряжение возбуждения U_MC и сопротивление сеточного автосмещения R_C находятся при расчёте максимального режима. При этом

,

где .

В режиме минимальной мощности напряжение смещения

. (I)

Так как Е_{А МИН} = 0, то U_{МА МИН} = 0, а Е^/_С при Е_А = 0 в (I) равно –Е_С0 (см. лекцию 4). Соответственно получаем

. (II)

Последнее соотношение соответствует рис.26.5.

С другой стороны,

.

Так как, согласно рис.26.5 и учитывая (II),

,

то

. (III)

Из равенства (II) и (III) следует

.

Полагая Е_С0/U_MC = 0, получаем

.

Так как параметры в левой части последнего соотношения известны (S – крутизна статических ВАХ сеточного тока в перенапряжённом режиме, равная с достаточной точностью крутизне статических ВАХ анодного тока в основной области), то в соответствии с правой частью соотношения, используя, например, таблицы коэффициентов и , находим угол θ_МИН. Далее находим

и т.д.

В режиме минимальной мощности ток сетки (аналогично ток базы) достигает наибольшей величины и максимально нагружает источник возбуждения. В то же время очевидно, что в минимальном режиме большая мощность возбуждения не нужна, а при 100% модуляции вообще в минимальном режиме можно обойтись без какой-либо мощности возбуждения. Действительно, при 100% модуляции в минимальном режиме выходной ток равен нулю, то есть I_A1 = 0 (или I_К1 = 0), но такое значение выходного тока получается также и при снятии возбуждения, то есть наличие возбуждения в минимальном режиме при 100% модуляции не является необходимым. Поэтому при расчёте генераторов с анодной (коллекторной) модуляцией источник возбуждения (в радиопередатчике это каскад, стоящий перед модулируемым генератором) рассчитывается на мощность возбуждения, найденную при расчёте максимального режима, то есть на минимальную величину мощности возбуждения P_ВОЗБ = P_{ВОЗБ МАКС РЕЖ}. Это приводит к тому, что в режиме несущей частоты, а особенно в режиме минимальной мощности при Е_А,К → 0, амплитуда напряжения возбуждения модулируемой ступени U_{МС, МБ} несколько уменьшается за счёт большей загрузки источника сигнала возбуждения – предыдущего каскада, что способствует спрямлению нижнего участка СМХ. При этом в случае транзисторного генератора с коллекторной модуляцией начало СМХ подтягивается к началу координат (рис.26.2,б). Напомним, что изменение амплитуды напряжения возбуждения характерно для режима усиления АМ колебаний.

Таким образом, учитывая при практической реализации изменение амплитуды напряжения возбуждения в генераторах с анодной и коллекторной модуляцией, а также применение сеточного автосмещения в генераторах с анодной модуляцией для спрямления СМХ, можно отметить, что в чистом виде анодная и коллекторная модуляции практически не применяются. Однако в любом случае им принадлежит главенствующая роль.

В мощных ламповых генераторах с анодной модуляцией применяют, как правило, комбинированное смещение, когда часть напряжения смещения подаётся от независимого источника, а часть за счёт сеточного тока (см. лекцию 13). В этом случае величина сопротивления автосмещения ориентировочно определяется из соотношения

,

где Е_{ИСТ СМ} – напряжение смещения от независимого источника. Необходимо для предотвращения выхода из строя лампы модулируемого генератора при исчезновении возбуждения. Величина его должна быть такой, чтобы при исчезновении возбуждения ток лампы удовлетворял условию

.

Величина сопротивления R_C уточняется при настройке генератора. Сопротивление R_C , обеспечивая линейную зависимость I_С0(Е_А), способствует уменьшению средней за период модуляции мощности, рассеиваемой на сетке, по сравнению с режимом без такого сопротивления.

Схема сеточной цепи генератора с анодной модуляцией и с использованием комбинированного смещения представлена на рис.26.6.

Величина ёмкости С_С , шунтирующей сопротивление R_C по высокой частоте, должна удовлетворять условию

. (**)

Только при таком условии, когда сопротивление цепи автосмещения для токов самой высокой модулирующей частоты F_В будет практически такое же, как и для постоянной составляющей, напряжение смещения при модуляции будет изменяться в фазе с изменением I_C0.⁴ Конденсатор ёмкостью С_{БЛ Ω} должен иметь очень малое сопротивление для токов самой низкой модулирующей частоты F_Н, защищая этим самым источник независимого смещения от переменных токов. Условие (**), очевидно, остаётся в силе и при отсутствии источника независимого смещения –Е_{ИСТ СМ}, то есть при использовании только сеточного автосмещения.

Несколько слов о настройке генераторов с анодной и коллекторной модуляцией. Если есть возможность снять СМХ, то настройка генераторов производится точно также, как и генераторов с модуляцией смещением (см. лекцию 24). Снятие СМХ возможно в транзисторных генераторах и в отдельных случаях маломощных ламповых генераторов при наличии регулируемого источника анодного питания. При осуществлении анодной модуляции в мощном выходном каскаде радиопередатчика нет возможности снять СМХ анодного или контурного тока, так как собственный источник напряжения питания анода Е_АН выполняется так, что его выходное напряжение нельзя изменять, особенно в сторону увеличения (для снятия СМХ генератора с анодной модуляцией нужен регулируемый источник напряжения от 0 до 2Е_АН с большим рабочим током).⁵ В таких случаях настройка генератора начинается с режима несущей частоты при постоянном анодном напряжении Е_А = Е_АН. После подачи на анод напряжения питания Е_А = Е_АН устанавливается напряжение возбуждения, найденное при расчёте максимального режима. Далее настраивается контур и регулируется связь с нагрузкой так, чтобы режим работы лампы соответствовал расчетным данным режима несущей частоты. Режим работы контролируется с помощью приборов, измеряющих токи I_А0, I_С0, I_КОНТ. Затем включается модуляционное устройство, с выхода которого (от модулятора) подаётся необходимое напряжение низкой частоты и с помощью контрольно-измерительных приборов, включая измерители коэффициента модуляции и коэффициента нелинейных искажений, уточняют настройку режима несущей частоты.