Покровский / УМК ОРЭ ч.1(для студентов) / Радиоэлектроника(часть1) / Ответы(часть1)№22-23

Амплитудные модуляторы на транзисторе - 6 -

МОДУЛЯТОРЫ

Одна из основных функций радиотехнических устройств — пере­дача сигналов с использованием радиоволн. Радиоволны эффек­тивно излучаются такими излучателями, размеры которых соиз­меримы с длиной волны. Поэтому конкретные излучатели — антен­ны — узкополосные. Отношение полосы эффективно излучаемых частот к средней частоте полосы всегда меньше единицы. Крометого, из-за ограниченности размеров реально применяют излуча­тели только высокочастотных колебаний.

С другой стороны, сигналы, получаемые от источников ин­формации (речевые, телевизионные), — широкополосные, т. е. ви­деосигналы. Ширина полосы частот спектра соизмерима со сред­ней частотой. Кроме того, спектры видеосигналов содержат низ­кочастотные составляющие, поэтому такие сигналы без преобра­зования их спектра не могут быть переданы по радиоканалам.

Для передачи сигнала нужно произвести модуляцию — изменение одного или нескольких параметров вспомогательного колебания-переносчика в соответствии с изменением передаваемого сигнала.

В качестве переносчика часто используют гармоническое ко­лебание, характеризуемое тремя параметрами: амплитудой, часто­той и начальной фазой. В зависимости от управляемого парамет­ра переносчика различают амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляции.

Свойства АМ-колебаний. Амплитудно-модулированное колеба­ние представляется выражением

где ω₀ и φ₀ — постоянные частота и начальная фаза; A(t) — пере­менная амплитуда — огибающая модулированного колебания.

Амплитуда управляется передаваемым сигналом e(t) и запи­сывается выражением

где А_т—амплитуда немодулированного колебания; ΔА—амплитуда изменений огибающей; т = ΔА/А_т — глубина модуляции. Здесь и в дальнейшем считается, что амплитуда сигнала e(t) равна еди­нице (|е(t)|≤1). Тогда при e(t) = 1

при е (t) = 1

Исключая А₀, получаем формулу, удобную для эксперименталь­ного определения глубины модуляции:

Так как амплитуда — положительная величина, то m ≤ 1.

Свойства спектров АМ-колебаний удобно рассматривать, пред­полагая, что

Подставляя (17.15) в (17.13) и (17.12), получаем

Первое слагаемое — несущее колебание, второе и третье сла­гаемые с частотами ω₀ + Ω и ω₀ − Ω называют соответственно верх­ним и нижним боковыми колебаниями. Спектры модулирующего S_e(ω) и модулированного S_AM(ω) колебаний показаны на рис. 17.10, а. Если модулирующий сигнал не гармонический, а состоит из боль­шего количества гармонических составляющих, то боковые коле­бания получаются также более сложными. На частотной оси они занимают определенные боковые полосы частот (рис. 17.10, б, в).

Ширина полосы частот спектра АМ-колебания равна удвоенной полосе частот модулирующего сигнала (на рис. 17.10 ). В соответствии с (2.41) средняя мощность АМ-колебания

Отсюда видно, что мощность боковых колебаний, переносящих информационный сигнал, равная

не превышает 0,5 мощности несущего колебания P_нес. При умень­шении глубины модуляции мощность боковых колебаний резко уменьшается.

Таким образом, при передаче АМ-сигналов только незначитель­ная часть мощности переносит информацию. Основная часть мощ­ности расходуется для передачи не содержащего информации не­сущего колебания. Поэтому в системах радиосвязи часто исполь­зуют модифицированную AM, при которой несущее колебание подавляется, а передаются только боковые колебания.

В системах связи часто приходится экономить не только мощ­ность, но и полосу занимаемых частот. В таких системах передают только одну боковую полосу (AM ОБП).

Недостаток AM ОБП заключается в сложности приемного уст­ройства и больших искажений сигнала, поэтому в системах радио­вещания, в которых много приемников принимают сигналы одного передатчика, AM ОБП не применяют, а применяют лишь AM.

Амплитудным модулятором называется устройство, в котором по закону передаваемого сообщения изменяется амплитуда гармо­нического колебания. На модулятор подаются переносчик — гар­моническое колебание и модулирующее колебание . В радио­передающих устройствах для умень­шения искажений не применяют усиление модулированных колеба­ний, поэтому модуляторами являются мощные выходные каскады. Такие модуляторы схемотехнически пред­ставляют резонансный усилитель мощности, в котором изменение амп­литуды колебаний осуществляется изменением напряжений базы или коллектора. Соответствующие моду­ляторы называют базовым и коллек­торным.

Схема базового модулятора пока­зана на рис. 17.11. На базу транзистора подается сумма напря­жений:

Работу модулятора можно пояснить с помощью временных диаграмм (рис. 17.12, а). При изменении напряжения u_Ω меняется напряжение базы, а следовательно, угол отсечки и амплитуды импульсов тока коллектора. Все это меняет амплитуду первой гармоники:

Примерная зависимость I_K1 от напряжения смещения базы е_B показана на рис. 17.12, б. Эта зависимость, называемая стати­ческой модуляционной характеристикой, при малых амплитудах (I_K1 < I_K1min) и больших амплитудах (I_K1 > I_K1max) отклоняется от прямой линии. Нижний нелинейный участок обусловлен нели­нейностью статической вольт-амперной характеристики транзистора, а верхний — переходом резонансного усилителя в перенапряжен­ный режим.

Для того чтобы модулятор не вносил значительных нелиней­ных искажений, необходимо использовать только линейный участок статической модуляционной характеристики. Исходная рабочая точка напряжением смещения устанавливается на середине линей­ного участка характеристики.

Максимальная глубина модуляции, при которой не возникают значительные нелинейные искажения, оценивается по формуле (17.14)

и оказывается меньше единицы.

Невозможность получения глубокой модуляции без нелинейных искажений является существенным недостатком базовой модуляции. Другой недостаток —малый коэффициент полезного действия. Как видно из (15.1), КПД пропорционален произведению коэффициентов использования тока Ψ и напряжения ξ. В режиме молчания, когда u_Ω = 0, коэффициент использования напряжения ξ пропорционален амплитуде коллекторного напряжения: . Коэф­фициент использования тока слабо зависит от моду­лирующего напряжения и может считаться постоянным, поэтому КПД

значительно меньше КПД, обеспечиваемого резонансным усилителем мощности.

В коллекторном модуляторе модулирующее напряжение u_Ω по­дается на коллектор транзистора резонансного усилителя мощ­ности. Используются две схемы модуляторов. В первой из них (рис. 17.13, а) напряжение u_Ω подается через трансформатор, вто­ричная обмотка которого подключена последовательно с источником питания. Во второй схеме (рис. 17.13,6) транзисторы резонансного усилителя мощности VT2 и усилителя мощности модулирующего сигнала VT1 соединены последовательно.

Амплитуда первой гармоники тока коллектора в резонансном усилителе мощности зависит от напряжения питания коллектора только в перенапряженном режиме. Поэтому в коллекторном мо­дуляторе при максимальном напряжении и_KЕ устанавливается кри­тический режим, при пониженном напряжении модулятор рабо­тает в перенапряженном режиме.

Амплитуда первой гармоники тока при этом меняется почти пропорционально напряжению кол­лектора. На рис. 17.14, а показаны нагрузочные линии и им соответствующие импульсы тока коллектора при трех напряжениях на коллекторе: и_KЕmin, и_KЕ0 и и_KЕтлх. Статическая модуляционная характеристика коллекторного модулятора показана на рис. 17.14, б. Верхний изгиб характеристики обусловлен переходом модулятора в недонапряженный режим. Нижний изгиб появляется только при малых напряжениях и обусловлен сильным перенапряжением. Этот участок выпрямляется, если на базу модулятора подать не гармоническое колебание, а модулированное по амплитуде тем же модулирующим сигналом u_Ω.

Коэффициенты использования тока и напряжения в коллектор­ном модуляторе практически не зависят от амплитуды модулиру­ющего сигнала, поэтому КПД коллекторного модулятора остается близким к максимальному значению, достигаемому в критическом режиме.

Большой КПД и линейность статической модуляционной харак­теристики — важные достоинства коллекторного модулятора. Его недостаток — требуемая большая мощность модулирующего сигнала. Действительно, мощность

Входное сопротивление модулятора для модулирующего сигнала

где Е_K — напряжение на коллекторе; I_K00—постоянная составля­ющая тока коллектора, определенная в режиме молчания (при u_Ω = 0).

Амплитуда модулирующего напряжения

Подставив (17.20) и (17.21) в (17.19), получим

где P₀₀ — мощность, потребляемая модулятором в режиме молчания.

Заметим, что мощность P_Ω расходуется в модуляторе на созда­ние боковых колебаний [см. (17.17)], мощность P₀₀ — на создание несущего колебания и получается от источника постоянного на­пряжения.

Для получения АМ-колебаний с подавленной несущей используют специальные модуляторы, называемые балансными. Такие модуляторы, как следует из анализа выражений (17.12), (17.13) и (17.16), должны осуществлять перемножение несущего u_ω(t) и модулирующего u_Ω(t) колебаний. Их успешно реализуют на аналоговых перемножителях напряжения или кольцевых баланс­ных преобразователях, схемотехнически они незначительно отли­чаются от соответствующих преобразователей частоты.

Колебания амплитудной модуляции с одной боковой полосой можно получить фильтровым методом с помощью амплитудного или балансного модулятора и полосового фильтра, пропускающего только одну боковую полосу. Реализация такого метода услож­няется при повышении частоты несущего колебания, так как при этом требуются более узкополосные фильтры.

В настоящее время фильтровой метод вытеснил другие, не тре­бующие использования радиочастотных фильтров. Одним из них является фазовый метод, при котором одно боковое колебание в соответствии с равенством

представляется суммой двух произведений. Такой AM ОБП состоит из двух балансных модуляторов (рис. 17.15), фазовращателей, поворачивающих фазы составляющих модулирующего сигнала u_Ω(t) и фазу несущего колебания u_ω(t) на π/2, и сумматора. В этой схеме реализационно наиболее сложным является широкополосный фазовращатель, известны модификации фазового метода, не тре­бующие широкополосного фазовращателя.

Литературный источник: [2] страницы 289-296.