Вопрос 28. Модуляционные усилители.

Амплитудная модуляция

Модуляция может осуществляться воздействием управляющего сигнала на автогенератор несущей частоты или на усилитель этих колебаний. На практике чаще используется второй метод, который и описывается в этом параграфе.

На вход модулируемого усилителя поступают напряжения несущей частоты   и управляющего сигнала  , а на выходе нужно получить высокочастотное напряжение (ток), амплитуда которого изменяется по закону управляющего сигнала.

Если суммарное напряжение u = u₁ + u_y усиливается лампой с прямолинейной характеристикой вида i_a = a₀ + a₁u, то анодный ток равен

Как и следовало ожидать, в линейной системе с постоянными параметрами никакой модуляции не происходит: спектр полученного тока содержит составляющие только тех частот  , которые имеются в спектре входного напряжения, а токов боковых частот   в спектре нет.

Поставим усилительную лампу в нелинейный режим, дополнив рабочую часть характеристики квадратичным членом a₂u². Тогда

Нагрузкой модулируемого усилителя служит параллельный контур, настроенный в резонанс на несущую частоту  . Благодаря этому на выходе схемы из множества составляющих анодного тока используются только те, которые выражаются слагаемыми с множителем  :

где I_a1m = a₁U_0m - амплитуда первой гармоники анодного тока;

Умножив ток первой гармоники a₁ на входное сопротивление контура для этого тока R_вх, получим напряжение на контуре u_к с амплитудой U_кm = I_a1m·R_вх:

Сопоставляя данное выражение с выражением (5), убеждаемся в том, что оно соответствует АМ колебаниям. Это позволяет сделать следующие выводы:

1. Амплитудная модуляция возможна, если модулируемый усилитель работает в нелинейном режиме.

2. Весь спектр АМ колебаний получается за счет умножения двух функций:   и  . Следовательно, процесс амплитудной модуляции заключается в перемножении входных напряжений, имеющих несущую частоту   и частоту управляющего сигнала  . Заметим, что такой эффект дает квадратичный член a₂u² характеристики усилителя.

3. В спектре анодного тока содержится много лишних составляющих, их еще больше при наличии в характеристике членов более высокой степени напряжения u, чем вторая. Значит, нагрузкой усилителя должен быть фильтр (колебательный контур) с полосой пропускания, равной ширине спектра выходного радиосигнала схемы модуляции.

На рис.10.1 показана практическая схема амплитудной модуляции. Напряжение на управлющей сетке u_g лампы модулируемого усилителя Л равно сумме трех напряжений: несущего сигнала u₁ с частотой  , которое снимается с катушки связи L_св с возбудителем; управляющего сигнала u_y с частотой  , которое поступает от модулятора (УНЧ), и исходного напряжения смещения Э_g0. Конденсатор C_бл небольшой емкости (около 1000 пф) служит для замыкания токов высокой частоты, минуя источники смещения и управляющего сигнала. В анодной цепи включены контур LC, настроенный на несущую частоту, и источник питания с высокочастотным фильтром L_фC_ф.

Изменением управляющего сигнала за один период высокой частоты можно пренебречь, ибо  . Это позволяет считать, что роль управляющего напряжения сводится к перемещению рабочей точки по характеристике лампы путем изменения напряжения смещения Э_gотносительно начального значения Э_g0.

Когда лампа работает только на линейной части характеристики как показано на рис.10.2,a, то среднее значение анодного тока I_a0 повторяет изменения управляющего сигнала, а амплитуда первой гармоники I_a1m остается постоянной, т.е. модуляции мет. Если же использовать нижний сгиб характеристики (рис.10.2,б), подчиняющийся квадратичному закону  , то приращения анодного тока будут различными в положительный и отрицательный полупериоды как несущей  , так и низкой   частоты и амплитуда тока I_a1m окажется промодулированной управляющим сигналом (см. нижнюю временную диаграмму справа).

Крутизна квадратичной характеристики анодного тока линейна:

т.е. пропорциональна напряжению u_g. Это позволяет считать, что по отношению к входному напряжению несущей частоты данный усилитель линейный с переменным параметром (крутизной) S.

Ограничивая рабочую область характеристики ее нижним сгибом, нельзя получить большую колебательную мощность и высокий к.п.д. Более выгодные энергетические соотношения получаются, если лампа усилителя работает с отсечкой анодного тока и достигает критического режима (рис.10.2,в).

Тогда максимумы импульсов анодного тока I_{a макс} следуют за изменениями напряжения смещения Э_g. Соответственно изменяется амплитуда первой гармоники анодного тока  . Здесь сказывается также непостоянство коэффициента  , вызванное некоторым изменением угла отсечки  .

Зависимость I_a1m от напряжения смещения на управляющей сетке Э_g при постоянной амплитуде возбуждения U_0m называется статической модуляционной характеристикой (рис. 10.3). Так как напряжение Э_g изменяется по закону изменения напряжения управляющего сигнала, модуляционная характеристика позволяет судить о соответствии между изменениями амплитуд модулированного и управляющего сигналов.

На прямолинейном участке модуляционной характеристики искажений нет. Значительные искажения наблюдаются, как показывает рис. 10.3, при переходе в перенапряженный режим, где из-за больших сеточных токов увеличение амплитуды первой гармоники анодного тока I_a1mзамедляется и даже возможно понижение ее, т.е. в данном случае режим генератора должен быть недонапряженным с отсечкой анодного тока.

Мы рассмотрели схему сеточной модуляции. Если же управляющий сигнал подается на экранную сетку, защитную сетку или анод, то схема модуляции называется соответственно экранной, пентодной или анодной.