Базовая и коллекторная амплитудная модуляция. Усиление модулированных колебаний

Ток радиочастоты зависит от того, какие напряжения подводятся к транзистору. При модуляции кроме источников постоянного напряжения, определяющих выбор режима работы транзистора, необходимо наличие источника модулирующего напряжения. При передаче информации звуковой частоты таким источником является микрофон. Напряжение от микрофона очень мало. Для осуществления модуляции необходимо обеспечить более высокий уровень звукового сигнала, поэтому в тракт звуковой частоты включают усилители напряжения и мощности.

При б а з о в о й модуляции ток коллектора изменяется при подаче на базу трех напряжений: напряжения постоянного смещения Е_б, напряжения радиочастоты U_н и напряжение звуковой частоты U_Ω . Базовая модуляция применяется только в ГВВ. В автогенераторах ее не применяют, так как изменение напряжения на базе по закону передаваемой информации может привести к срыву колебаний.

Рассмотрим схему ГВВ с базовой модуляцией. Транзистор включен по схеме с ОЭ. Напряжение звуковой частоты подается на базу транзистора через трансформатор (Тр), Дроссель L_бл1 и конденсатор С_бл1 не пропускают ток радиочастоты в источник питания, а конденсатор С_бл2 защищает его от токов звуковой частоты. Итак, к базе транзистора приложено напряжение

е_б (t)= Е_б + U_н cosω₀ t+ U_Ω cos Ωt.

Из уравнения (1.24) видно, что АМ колебание имеет более сложный спектральный состав, то есть. в результате модуляции появляются новые гармонические составляющие, отличающиеся от сигналов, поданных на вход. Это возможно только в том случае, если транзистор будет работать в нелинейном режиме, то есть с отсечкой коллекторного тока.

На временной диаграмме показан процесс получения базовой модуляции. Под влиянием трех напряжений, поданных на базу, импульсы коллекторного тока изменяются во времени. Амплитуда тока первой гармоники, содержащаяся в этих импульсах, и на которую настроен контур в коллекторной цепи, будет изменяться пропорционально величинам импульсов.

При работе усилительного элемента линейном режиме амплитудная модуляция невозможна, так как изменение базового напряжения не выходит за пределы линейного участка характеристики транзистора, и форма тока будет совпадать с формой базового напряжения. Это значит, что происходит только изменение постоянной составляющей тока, а амплитуда тока первой гармоники не изменяется.

Зависимость первой гармоники коллекторного тока от напряжения на базе I_k1 = f(e_б) называется статической модуляционной характеристикой. Для получения неискаженных модулированных колебаний, то есть, чтобы амплитуда первой гармоники тока соответствовала изменению напряжения на базе, модуляционная характеристика должна быть линейна. Точки на характеристике соответствуют трем режимам АМ: режиму несущих колебаний (точка В), режиму минимальной мощности (точка С) и максимальной мощности (точка А). Если выполнить условие, чтобы в режиме максимальной мощности ГВВ работал в критическом режиме, то при переходе в режим несущей и минимальной мощности, он перейдет в недонапряженный режим работы. В этом случае статическая модуляционная характеристика будет линейной.

Определим КПД при базовой модуляции.

Максимальное значение напряжения на нагрузке меньше напряжения в режиме несущей частоты в (1 + М) раз (1.23): U_н = U_max/ (1 + М). Так как амплитуда тока первой гармоники пропорциональна напряжению, то в режиме несущей первая гармоника тока меньше в (1 + М) раз амплитуды в режиме несущей частоты:

I_{k1 (нес)} = .

Постоянная составляющая тока так же уменьшается, поэтому затрачиваемая мощность в режиме несущей частоты:

Р_{0 (нес)} = Е_к I_{ко(нес).}= Е_{к = .}

Полезная мощность:

Р_k1(нес) = 0,5 (I_k1(нес))²Z_p = 0,5 Z_p = .

Коэффициент полезного действия в режиме несущей частоты

,

также уменьшается в (1 + М) раз по сравнению с коэффициентом полезного действия в режиме максимальной мощности. Низкий КПД при отсутствии модуляции является недостатком базовой модуляции.

Напряжение звуковой частоты подается на базу транзистора модулируемого каскада и для его работы не требуется большой мощности от усилителей тракта звуковой частоты. В этом достоинство базовой модуляции.

При к о л л е к т о р н о й модуляции источник напряжения звуковой частоты включается последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора транзисторного ГВВ.

Напряжение на коллекторе: е_к (t) = Е_к+ U_Ω cos Ωt.

Напряжение смещения на базе Е_б будет постоянным и выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в режиме колебаний второго рода. Графический анализ работы каскада процесса коллекторной модуляции аналогичен анализу при базовой модуляции. Отличие состоит в том, что напряжение на базе постоянно, а происходит смещение статической характеристики транзистора из-за изменения напряжения на коллекторе по закону передаваемой информации.

Для неискаженной амплитудной модуляции необходимо, чтобы характеристика была линейна. В режиме максимальной мощности (точка А) транзисторный генератор должен работать в критическом режиме, так как в недонапряженном режиме амплитуда коллекторного тока слабо зависит от напряжения е_к. В режимах несущей частоты (точка В) и минимальной мощности (точка С), генератор должен быть в перенапряженном режиме, в котором I_k1 резко зависит от коллекторного напряжения.

Определим КПД для коллекторной модуляции.

Аналогично базовой модуляции, можно записать:

I_{k1 (нес)} = ; I_{ко(нес).}= _; Е_{к (нес)} = .

Полезная и подводимая мощности так же уменьшаются:

Р_k1(нес) = 0,5 (I_k1(нес))²Z_p = 0,5 Z_p = ;

Р_{0 (нес)} = Е_к(нес) I_{ко(нес).}= = _.

Коэффициент полезного действия транзисторного генератора в режиме несущей частоты

.

Как видно, он равен коэффициенту полезного действия в максимальном режиме. Таким образом, постоянство КПД для различных точек модуляционной характеристики и то, что он достаточно высокий, является преимуществом коллекторной модуляции. Для работы каскада рекомендуется выбирать угол отсечки θ ≈ 70⁰..90⁰. При этом КПД η ≈ 70%, достаточно высокий и при модуляции не меняется.

Для улучшения линейности модуляционной характеристики применяется подмодуляция. Она заключается в применении дополнительной коллекторной модуляции предыдущего каскада ГВВ. Глубина модуляции М_пред предыдущего каскада выбирается порядка 50..70% от значения коэффициента М основного каскада.

При коллекторной модуляции требуется большая мощность от источника напряжения звуковой частоты, так как она должна быть сравнима с мощностью, потребляемой от источника питания коллектора. Это недостаток коллекторной модуляции.

Уменьшение нелинейных искажений в модуляторе, который должен обеспечить высокий уровень мощности и работать с хорошим КПД, можно получить, если выполнить модулятор по двухтактной схеме. Транзисторы в такой схеме должны работать с углом отсечки коллекторного тока θ = 90⁰. Коллекторную модуляцию выгодно реализовать в выходном каскаде передатчика.

В мощных модуляторных каскадах для уменьшения массы и размеров трансформатора, через который поступает напряжение звуковой частоты, его включают так, чтобы по обмотке не протекал постоянный ток, создающий подмагничивание сердечника. Для этого последовательно со вторичной обмоткой трансформатора включают блокировочный конденсатор С_бл1 и постоянный ток протекает по дросселю L_др .

Коллекторная модуляция может быть применена в транзисторных АГ малой мощности. Но так как изменение коллекторного напряжения может вызвать изменение реактивных проводимостей транзистора, то полезная АМ будет сопровождаться паразитной частотной модуляцией.

Если модуляция осуществляется в одном из промежуточных каскадов, то все последующие каскады работают в режиме усиления. Усиление модулированных колебаний должно происходить без искажения. Это значит, что закон изменения амплитуды первой гармоники коллекторного тока должен соответствовать закону изменения амплитуды напряжения на базе. Данное условие выполняется, если угол отсечки тока остается постоянным и не зависит от изменения напряжения смещения, создаваемого АМ колебанием. Это возможно только лишь в одном частном случае, когда угол отсечки тока коллектора θ = 90⁰.

Кроме статической модуляционной характеристики качество сигналов АМ оценивается динамической модуляционной характеристикой, которая определяет зависимость коэффициента модуляции М от напряжения звуковой частоты U_Ω. Ее снимают для значений модуляции «вверх» и «вниз». Совпадение характеристик говорит о полной симметрии модулированного колебания и малых частотных искажениях.

Итак, можно отметить следующие недостатки амплитудной модуляции:

– во–первых, ее плохая помехозащищенность: все помехи, прежде всего, оказывают влияние на амплитуду, в которой при АМ содержится передаваемая информация;

– во–вторых, этот вид модуляции характеризуется плохой энергетикой каскадов передатчика.

Достоинством АМ является относительно узкий спектр частот при передаче информации, ширина которого определяется только частотами, содержащимися в спектре передаваемого полезного сигнала, и не зависит от значения несущей частоты.

Напомним, что амплитудная модуляция применяется как в радиовещании, так и в эфирном телевидении.