Амплитудная модуляция смещением (Сеточная и базовая модуляция)

При АМ смещением амплитуда первой гармоники выходного тока АЭ (анодного тока лампы, коллекторного тока транзистора) должна линейно изменяться с изменением напряжения смещения на управляющей сетке лампы или базе транзистора. При этом амплитуда напряжения возбуждения U_MC или U_МБ остаётся неизменной. Напряжение смещения, напротив, изменяется в соответствии с модулирующим сигналом.

На рис.24.5 представлены возможные схемы осуществления АМ смещением в ламповом и транзисторном генераторах. В режиме несущей частоты (режим молчания, телефонный режим) напряжение смещения постоянно и равно Е_{С Н} или Е_{Б Н}.¹² При подаче модулирующего сигнала напряжение смещения изменяется, соответственно, по закону:

г де, напомним, U_ΩM – амплитуда модулирующего сигнала.

Изменение напряжения смещения в процессе модуляции вызывает соответствующие изменения угла нижней отсечки θ и амплитуды импульсов анодного I_MA или коллекторного I_MK тока, как показано на рис.24.6,¹³ и, как следствие, изменения амплитуды первой гармоники тока.

Зависимости I_A1(E_C), I_A0(E_C), I_К1(Е_Б), I_К0(Е_Б), представляющие СМХ при модуляции смещением, рассматривались нами в лекции 8 при обсуждении зависимости режима ГВВ от напряжения смещения и представлены на рис.8.12 и рис.8.13 для лампового и транзисторного генераторов соответственно. Эти зависимости показаны на рис.24.7. Как отмечалось, зависимости имеют выгиб вниз в своей нижней части и могут иметь выгиб вверх в верхней части. В области недонапряжённого режима СМХ имеют тенденцию к росту с ростом смещения, что как раз необходимо для осуществления модуляции смещением. В этой области при значениях нижнего угла отсечки в пределах 60⁰ ≤ θ ≤ 120⁰ СМХ оказываются линейными в соответствующем интервале изменения смещения. Рабочая точка, соответствующая режиму несущей частоты (он же режим молчания или телефонный режим), выбирается из соображений получения линейной модуляции на середине линейного участка СМХ, как отмечено на рис.24.7. Нетрудно заключить, рассматривая СМХ, что при осуществлении 100% модуляции (m = 1) обязательно появятся нелинейные искажения за счёт нелинейности СМХ в своей нижней части, так как ток должен в процессе модуляции в минимальном режиме принимать нулевое значение. Очевидно также, если рабочую точку на СМХ сместить влево от указанного положения, то нелинейные искажения появятся при меньшем значении коэффициента модуляции. Если рабочую точку выбрать на нелинейном нижнем участке СМХ, то модуляция при любом коэффициенте модуляции будет с опровождаться нелинейными искажениями.

Итак, модуляция смещением возможна в недонапряжённом режиме ГВВ и только для режима максимальной мощности (максимального режима) при 100% модуляции может быть допущен критический режим. При заходе в перенапряжённый режим СМХ загибаются вниз и модуляция будет сопровождаться большими нелинейными искажениями.

Аналитическое выражение СМХ при модуляции смещением при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного тока лампы или коллекторного тока транзистора может быть получено следующим образом.

Согласно эквивалентной схеме анодной цепи лампы или коллекторной цепи транзистора для области недонапряжённого вплоть до критического режима, рассмотренной в лекции 9 (см. рис.9.1)¹⁴ и показанной на рис.24.8, для амплитуды первой гармоники выходного тока можно записать (приводимые ниже выражения записаны в обозначениях лампового генератора, для транзисторного генератора выражения подобны):

(24.10)

Выражение (24.10) не раскрывает непосредственную связь между I_A1 и смещением Е_С . От напряжения смещения зависит коэффициент γ₁(θ) = α₁(θ)(1 – cosθ), так как нижний угол отсечки анодного тока θ зависит от Е_С . В частности, для лампового ГВВ¹⁵

Учитывая в последнем выражении (24.10), после преобразований получаем:

(24.11)

Решая совместно (24.10), (24.11), можно построить СМХ при любом значении U_MC . Например, задавшись значением Е_С , при известных значениях отношения R_oe/R_i и U_MC из (24.11) можно отыскать значение γ₁(θ) (уравнение (24.11) трансцендентно и решается графически либо другим способом). После этого из (24.10) находится ток I_A1. На практике для упрощения расчёта СМХ задаются значениями θ . Соответственно из (24.10) непосредственно находят ток, а из (24.11) находят соответствующее смещение. Нетрудно увидеть, что расчёт СМХ существенно упрощается, если можно принять значение параметра D равным нулю, что допустимо для генераторных тетродов и пентодов и для триодов с малой проницаемостью, а также для транзисторов. Если D = 0, то отпадает необходимость в решении трансцендентного уравнения (24.11), так как оно перестаёт быть таковым.

Вопросы теории АМ смещением ламповых и транзисторных генераторов давно и хорошо разработаны. При этом для общего анализа используются обобщённые СМХ, уравнения которых записываются на основании (24.10) и (24.11).

Согласно (24.10) обобщённый параметр

(24.10^/)

Согласно (24.11) обобщённый параметр

. (24.11^/)

Нетрудно видеть, что значения параметра y заключены в пределах 0…1. Нулевое значение имеет место при θ = 0 и не зависит от отношения R_oe/R_i. Максимальное значение y = 1 имеет место при θ = 180°, причём только при R_oe/R_i = 0. При значениях R_oe/R_i, отличных от нуля, максимальное значение y при θ = 180° оказывается меньше единицы. Значения параметра x заключены в пределах –1…+1. При этом значение –1 соответствует θ = 0 и не зависит от отношения R_oe/R_i. Значение +1 имеет место при θ = 180°, причём только при R_oe/R_i = 0. При значениях R_oe/R_i, отличных от нуля, максимальное значение x при θ = 180° оказывается меньше +1.

Как следует из (24.10), также из (24.10^/), если U_MC = const и S = const, то амплитуда первой гармоники анодного тока (аналогично коллекторного тока) при модуляции смещением линейно зависит от сомножителя

Так как, как правило, R_oe/R_i < 1, а при использовании в модулируемом генераторе тетрода или пентода, или биполярного транзистора можно считать R_oe/R_i ≈ 0, то линейность рассматриваемой СМХ практически оказывается обусловленной тем, насколько коэффициент линейно зависит от смещения Е_С (или Е_Б в транзисторном генераторе). Как отмечалось (см. лекцию 5), коэффициент имеет линейный участок в пределах значений нижнего угла отсечки 60° ≤ θ ≤ 120°. При этом оказывается также, что в пределах указанных значений нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока практически линейно зависит от смещения.¹⁶ Соответственно рассматриваемая СМХ на этом участке оказывается практически линейной.

Выражения (24.10^/) и (24.11^/) позволяют установить зависимость y(x) при θ = const. Действительно, согласно (24.11^/)

Соответственно, согласно (24.10^/)

, (24.12)

где k – постоянный коэффициент при θ = const.

Как видим, зависимости y(x) при θ = const представляют прямые линии, выходящие из начала координат под углом, тангенс которого равен k. При θ = 180° k = 1, при θ = 90° k = ∞ ( в этом случае прямая линия совпадает с осью y), при θ = 0 k = 0 и прямая совпадает с осью x, но направлена в противоположную оси сторону.

Рассмотренные СМХ представлены на рис.24.9. При проектировании генератора с модуляцией смещением заходить в область значений θ > 120° нецелесообразно, так как появляются нелинейные искажения и уменьшается КПД анодной (коллекторной) цепи. Для получения 100% модуляции значение θ должно доходить до нуля. При этом неизбежны нелинейные искажения. При инженерных расчётах этими искажениями пренебрегают и считают СМХ линейной во всей её нижней части.

Во многих случаях оказывается возможным снять СМХ вида I_A0(E_С) в случае лампового генератора и I_К0(Е_Б) в случае транзисторного генератора. Эти СМХ также легко могут быть описаны аналитически, если учесть, что постоянная составляющая выходного тока АЭ и амплитуда его первой гармоники при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ лампы или транзистора связаны соотношением

, (24.13)

где I_А1 (точно также и I_К1) определяется выражением (24.10). В рассмотрение можно ввести обобщённую СМХ

. (24.13^/)

СМХ (24.13) и (24.13^/) являются более нелинейными в области рабочих значений угла θ, чем СМХ по первой гармонике (24.10) и (24.10^/). В то же время при инженерных расчётах они также полагаются линейными, что практически не отражается на результатах энергетических расчётов различных режимов модуляции.

В большинстве случаев исходным параметром для расчёта генератора с модуляцией смещением является мощность в режиме несущей частоты P_~Н. Заданным также является коэффициент модуляции m. Если значение m не оговаривается, то принимают максимальное допустимое значение m = 1. АЭ выбирают из условия обеспечения мощности в максимальном режиме (24.7), то есть номинальная колебательная мощность лампы или транзистора должна удовлетворять условию

. (**)

Если по условию задания указана мощность P_~Н в полезной нагрузке, то при определении номинальной мощности АЭ необходимо учесть КПД контура (цепи согласования). В этом случае лампа или транзистор должны отдавать больше мощность, так как часть её будет теряться в контуре (цепи согласования).

Если выбрать АЭ на меньшую мощность, чем указано выше (**), например, на P_~СР, то возникнут нелинейные искажения в верхних точках модуляции.

Иногда бывает задан АЭ для модулируемой ступени. В этом случае, очевидно, номинальная колебательная мощность заданной лампы или транзистора может рассматриваться как мощность, достижимая в максимальном режиме. Может встретиться и другой способ задания: задан АЭ и задана мощность возбуждения последующего каскада. Очевидно, в этом случае максимальная мощность возбуждения последующего каскада должна рассматриваться как мощность максимального режима модулируемого генератора. При этом во всех случаях необходимо учитывать потери мощности в цепи согласования при передаче её от одного каскада к другому.

Так как линейная часть модуляционной характеристики находится в области недонапряжённого режима, то в качестве расчётного режима для максимальной мощности принимается критический режим.

Расчёт режима максимальной мощности ведётся по методике расчёта ГВВ в критическом режиме на мощность P_~МАКС (см. лекцию 7). При этом (здесь и далее приведём соотношения в терминах лампового генератора) коэффициент использования напряжения анодного питания

.

Напряжение питания анода (коллектора) принимается равным номинальному, либо ниже, если номинальная мощность лампы существенно больше требуемой (**). Для транзисторов последнее, очевидно, не является актуальным.

Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС выбирается в пределах θ_МАКС ≤ 120°, то есть вблизи верхней границы линейного участка СМХ. Чтобы использовать весь линейный участок модуляционной характеристики, следует принимать θ_МАКС = 120°. Однако, чем больше угол отсечки, тем хуже КПД анодной (коллекторной) цепи генератора. Кроме того, в ламповых генераторах при θ_МАКС = 120° смещение в верхней точке модуляционной характеристики может оказаться положительным, что осложняет работу некоторых схем модуляторов.¹⁷ Поэтому на практике часто принимают θ_МАКС = (90…100)°. Принимать меньшие значения θ_МАКС нецелесообразно, так как при этом сокращается рабочий участок линейной части СМХ.

Если работать только на линейном участке СМХ в пределах 60° ≤ θ ≤ 120°, то, очевидно, получить 100% модуляцию невозможно. Для получения 100% модуляции (m = 1) необходимо использовать весь нижний участок модуляционной характеристики при θ < 60°. При этом возникают, хотя и небольшие, нелинейные искажения, уменьшить которые можно применением отрицательной обратной связи.

После определения дальнейший расчёт режима максимальной мощности ведётся в обычном порядке (см. лекцию 7):¹⁸ определяют U_{МА МАКС}, I_{А1 МАКС}, I_{МА МАКС} и т.д. При использовании лампы с ограниченным током эмиссии необходимо проверить условие

;

в случае использования лампы с оксидным катодом, для которой ограничивающей является величина I_{А0 ДОП}, необходимо, чтобы выполнялось условие

.

Последнее условие соответствует случаю 100% модуляции (m = 1) и учитывает эффективное значение «постоянной» составляющей анодного тока при модуляции (рис.24.10):

.

При m = 1

У транзистора необходимо, чтобы выполнялось условие

Напряжение возбуждения при модуляции смещением остаётся неизменным и определяется при расчёте режима максимальной мощности:

.

Напряжение смещения Е_{С МАКС}, необходимое для построения СМХ I_А1(Е_С) и расчёта режима сеточной цепи определяется выражением:

.

После расчёта режима максимальной мощности рассчитывается режим несущей частоты.

Режим несущей частоты обычно рассчитывается, исходя из линейной зависимости I_A1 и I_A0 от смещения Е_С, то есть исходя из идеализированных СМХ, согласно которым:

(24.14)

При этом получается

КПД анодной цепи в режиме несущей частоты

При m = 1

Обычно максимальный КПД анодной цепи, соответствующий критическому режиму, примерно равен 0,7. Следовательно, в режиме несущей частоты Как видим, в энергетическом отношении режим несущей частоты является чрезвычайно неэффективным.

Мощность, рассеиваемая на аноде лампы (коллекторе транзистора) в режиме несущей частоты,

или

Следует отметить, что с точки зрения теплового режима анода (коллектора) режим несущей частоты является наиболее тяжёлым и поэтому должно быть выполнено условие

P_{A Н} < P_{A ДОП}.

Действительно, в режиме максимальной мощности при 100% модуляции рассеиваемая на аноде (аналогично на коллекторе) мощность

При 100% модуляции получаем

Как видим, рассеиваемая на аноде (коллекторе) мощность в максимальном режиме не превышает рассеиваемую мощность в режиме несущей частоты. Если учесть, что максимальный режим кратковременный, а режим несущей частоты более длительный (например, при передаче речи паузы между словами, предложениями, фразами), то он и оказывается более тяжёлым с точки зрения теплового режима лампы или транзистора.

Если принять модуляцию симметричной и линейной, при этом «постоянная» составляющая анодного (коллекторного) тока¹⁹ изменяется по закону (см. рис.24.10)

то средняя потребляемая от источника анодного (коллекторного) питания за период модуляции мощность

.

Соответственно, средняя рассеиваемая за период модуляции мощность, учитывая (24.9),

то есть средняя мощность, рассеиваемая на аноде (коллекторе) за период модуляции, уменьшается по сравнению с режимом несущей частоты (режим молчания) на величину мощности боковых частот (полос).

Средний за период модуляции КПД анодной (коллекторной) цепи

Так как среднестатистическое значение m = 0,3…0,5, то средний КПД анодной (коллекторной) цепи, характеризующий энергетическую эффективность модулируемой ступени, невелик и равен

Последнее соотношение показывает, что энергетическая эффективность модулируемой ступени практически определяется эффективностью режима несущей частоты. Среднее значение КПД получается примерно таким, как и в режиме несущей частоты (молчания).

Необходимое напряжение смещения в режиме несущей частоты (в режиме молчания) может быть найдено следующим образом. Из (24.14) известны значения I_{A1 Н} и U_{MA Н}. С другой стороны,

откуда

По значению определяется (по таблицам) значение нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока θ_Н в режиме несущей частоты (молчания) и значение cos θ_Н . Тогда

Напряжение смещения Е_{С Н} определяет рабочую точку модулируемого генератора в режиме молчания у микрофона (режим несущей частоты) и должно подаваться от внешнего источника, так как при автоматическом смещении рабочая точка будет перемещаться за счёт изменения постоянных составляющих токов сетки (базы) и анода (коллектора), что приведёт к нелинейным искажениям.

Зная напряжения смещения в максимальном режиме Е_{С МАКС} и в режиме несущей частоты Е_{С Н}, можно определить необходимую амплитуду модулирующего сигнала U_Ω, которая равна интервалу (размаху) между этими напряжениями. Определение амплитуды модулирующего сигнала поясняется рис.24.11.

При расчёте транзисторного генератора необходимо проверить условие

,

в котором напряжение смещения в режиме несущей частоты должно учитываться со своим знаком.

В заключение скажем несколько слов о настройке генератора с модуляцией смещением.

Вначале производится настройка генератора в режиме максимальной мощности без подачи модулирующего сигнала. Устанавливаются найденные при расчёте напряжения: смещения Е_{С МАКС}, возбуждения U_МС, анодного питания Е_А. Настройкой контура (цепи согласования) и регулировкой связи с полезной нагрузкой выставляется ток (постоянный анодный или переменный контурный) и выходное колебательное напряжение близкими к расчётным значениям максимального режима. После этого снимается СМХ.²⁰ Обычно это I_КОНТ (Е_С) или I_А0(Е_С). Удовлетворительное совпадение снятой СМХ с ожидаемой (расчётной) свидетельствует о правильности настройки генератора на режим максимальной мощности. По снятой СМХ устанавливается режим несущей частоты (молчания), соответствующий точке СМХ

или

.

Более полное представление о качестве модуляции может быть получено путём снятия ряда динамических модуляционных характеристик. Простейшим средством контроля качества модуляции является визуальное наблюдение с помощью осциллографа формы модулированного колебания при модуляции гармоническим колебанием низкой частоты.

Что касается объективной и качественной оценки качества модуляции, то она производится с помощью соответствующих измерительных приборов, определяющих, в частности, коэффициент модуляции и коэффициент нелинейных искажений (гармоник) огибающей полученного АМ колебания.

В силу низкой энергетической эффективности модуляция смещением в настоящее время имеет весьма ограниченное применение в радиопередатчиках. Такой способ модуляции используется в некоторых телевизионных передатчиках сигналов изображения, имеющих широкую полосу частот (до 6 МГц). Поскольку требуемая мощность модулятора при модуляции смещением оказывается небольшой (мощность модулятора определяется током сетки или базы и размахом смещения), то широкополосный модулятор (своего рода УНЧ) легче выполнить маломощным и этим обеспечить необходимые качественные показатели модуляции. Очевидно, если использовать лампы, то предпочтительнее тетроды и пентоды (у них меньше токи управляющих сеток). В мощных телевизионных передатчиках приходится использовать и триоды, мирясь с низким КПД генератора с модуляцией смещением.

Мы уделили внимание модуляции смещением в основном по той причине, что полученные при этом знания необходимы и весьма полезны для понимания вопросов усиления АМ колебаний. Режимы усиления АМ колебания, как увидим, имеют тесное родство с модуляцией смещением и сегодня широко применяются, например, в мощных каскадах телевизионных передатчиков сигналов изображения и в связных коротковолновых передатчиках для усиления однополосных колебаний. Кроме того, сегодня широко применяются комбинированные способы АМ, одним из элементов которых является, в том числе, и модуляция смещением. Поэтому без определённого чёткого представления о сути модуляции смещением сложнее понять другие виды модуляции и их особенности.

Несколько слов об особенностях модуляторов для генераторов с АМ смещением.

Так как частотные и нелинейные искажения при осуществлении АМ, как уже отмечалось, возникают не только в тракте высокой (несущей) частоты, но и в тракте низкой (модулирующей) частоты, то качество модуляции в сильной мере зависит и от схемы модулятора.

Модулятор, как уже отмечалось, представляет усилитель низких частот (УНЧ), нагруженный на входную цепь АЭ модулируемого генератора (на цепь сетки или базы соответственно, см. рис.24.5). Назначение модулятора состоит в том, чтобы создать на входных электродах лампы или транзистора необходимую величину модулирующего напряжения (см. рис.24.11) при малых нелинейных искажениях. В ламповых генераторах при работе с сеточными токами входная цепь представляет для модулятора сугубо нелинейную нагрузку, так как сеточный ток лампы, в отличие от анодного, изменяется при модуляции несимметрично относительно рабочей точки, соответствующей режиму несущей частоты (режиму молчания).

Дело в том, что статические ВАХ анодного и сеточного токов смещены относительно друг друга на величину напряжения запирания Е ^/_С, соответственно сеточный ток появляется только при заходе мгновенного напряжения на сетке в положительную область и СМХ анодного и сеточного токов также оказываются сдвинутыми относительно друг друга на величину напряжения Е ^/_С, как показано на рис.24.12. При модуляции вверх изменение сеточного тока I_C0, нагружающее модулятор, практически равно его значению в максимальном режиме, а при модуляции вниз изменение тока I_C0, нагружающее модулятор, равно значению тока в режиме несущей частоты I_{C0 Н} и практически близко к нулю. Очевидно, что модулятор по-разному нагружается во время положительной и отрицательной полуволн модулирующего напряжения.

В транзисторном генераторе входной (базовый) и выходной (коллекторный) токи начинаются и заканчиваются при одинаковых напряжениях на базе Е_Б и изменения тока I_Б0, определяющие нагрузку модулятора, оказываются более равномерными при модуляции вверх и при модуляции вниз. Соответственно нагрузка модулятора оказывается почти постоянной, что облегчает построение качественного модулятора.

Модуляторы для АМ смещением строят по схеме УНЧ с трансформаторным выходом (выходные трансформаторы таких схем представлены на рис.24.5). При этом в ламповом варианте вторичная обмотка трансформатора обязательно шунтируется резистором, что позволяет выровнять нагрузку модулятора и этим улучшить его качественные показатели. Очевидно, подключение шунтирующего резистора R_Ш приводит к необходимости увеличения мощности модулятора на величину

.

Трансформаторная схема модулятора обычно применяется в передатчиках служебной связи с полосой звуковых частот порядка (200…3000) Гц. При необходимости передачи более широкой полосы частот применяется реостатно-дроссельная схема, обладающая лучшей частотной характеристикой. Пример такой схемы в транзисторном варианте показан на рис.24.13.

Следует отметить, что в профессиональных радиопередатчиках базовая модуляция, в отличие от сеточной, в чистом виде никогда не применялась, так как, помимо общих недостатков модуляции смещением, ей присущи и свои, обусловленные спецификой транзисторов. В частности, с повышением рабочей частоты в транзисторных генераторах за счёт внутренней обратной связи возрастает реакция выходной цепи на входную, что в принципе делает невозможным получение 100% модуляции. Нелинейные искажения при базовой модуляции получаются больше, чем при сеточной. Применяется базовая модуляция в сравнительно маломощных передатчиках служебной связи при большом допустимом коэффициенте нелинейных искажений (до 15 – 20%).