Ростовский технологический институт сервиса и туризма Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса
____________________________________________________________________
Кафедра Радиоэлектроника
Лазаренко С.В.
ЛЕКЦИЯ № 19
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ И МОДУЛЯЦИЯ
по дисциплине “Радиотехнические цепи и сигналы”
Ростов-на-Дону
2010
ЛЕКЦИЯ № 19
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ И МОДУЛЯЦИЯ
по дисциплине "РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИГНАЛЫ"
Время: 2 часа
Изучаемые вопросы: 1 Нелинейное резонансное усиление
2 Умножение частоты
3 Преобразование частоты
4 Амплитудная модуляция
5 Частотная модуляция
6 Фазовая модуляция
1 НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ
Как мы уже выяснили, в существенно нелинейном режиме ток РНЭ имеет импульсную форму и содержит наряду с постоянной составляющей колебания частот, кратных частоте входного сигнала. Это свойство НЭ можно использовать для нелинейного резонансного усиления и умножения частоты сигнала.
В
линейных усилителях (например,
транзисторных) для отсутствия искажений
усиливаемого сигнала рабочий участок
вольтамперной
характеристики
выбирается линейным. Поэтому при входном
сигнале косинусоидальной формы
коллекторный ток и выходное напряжение
усилителя также косинусоидальны (рисунок
1).
Рисунок 1
Коэффициент
усиления
такого усилителя рассчитывается по
формуле
, (1)
где 
-
крутизна ВАХ транзистора на рабочем
участке;
-
сопротивление коллекторной нагрузки
усилителя.
В
нелинейных усилителях (рисунок 2)
использует существенно нелинейный
режим работы НЭ. При этом нагрузкой
усилителя является не резистор, а
параллельный колебательный контур,
настроенный на частоту входного сигнала
.
Рисунок 2
Несмотря на то, что усилитель работает с отсечкой тока и форма коллекторного тока далеко не косинусоидальна, напряжение на контуре практически имеет косинусоидальную форму.
Это
происходит потому, что контур
отфильтровывает высшие гармоники. Для
частоты входного сигнала настроенный
в резонанс контур представляет очень
большое сопротивление
и поэтому напряжение на контуре
(2)
будет относительно большим. Большим будет и коэффициент усиления по первой гармонике.
Для
всех других составляющих тока в контуре
имеет место режим, далекий от резонанса
(обобщенная расстройка контура
).
Поэтому сопротивление контура для них
незначительно, и заметного напряжения
на контуре они не создадут, т.е.
. (3)
В результате, несмотря на искаженную импульсную форму коллекторного тока, на контуре, как и в линейном усилителе, выделяется напряжение, очень близкое по форме к гармоническому. Коэффициент усиления такого усилителя равен
, (4)
где 
-
средняя крутизна ВАХ транзистора;
-
характеристическое сопротивление
контура;
-
сопротивление потерь контура.
Основное
достоинство нелинейных резонансных
усилителей
- относительно
высокий к.п.д.
,
под которым понимается отношение
колебательной мощности
в контуре, к мощности
,
потребляемой от источника коллекторного
питания, т.е.
. (5)
Если в линейных усилителях к.п.д. обычно не превышает нескольких процентов, то в нелинейных резонансных его можно довести до 70…80%.
В
самом деле, в линейном усилителе
.
В
резонансных усилителях
и поэтому
(6)
Анализ
зависимостей
и
показывает, что с уменьшением угла
отсечки отношение
.
Кроме
того, при выборе угла отсечки
<
90°
в паузах
коллекторный
ток не протекает и, следовательно,
потребление энергии отсутствует.
На практике выбирают угол отсечки, близкий к 90°, так как работа с меньшими углами отсечки требует для получения заданной полезной мощности усилителя существенного увеличения амплитуда входного сигнала, что не всегда возможно.
Важной
характеристикой нелинейного резонансного
усилителя является колебательная
характеристика. Так принято называть
зависимость
,
вытекающую из формулы
(2).
Естественное требование к колебательной
характеристике
—
ее линейность, что особенно важно при
усилении АМ - сигналов. Как видно,
например, из выражения
(2), колебательная
характеристика в общем случае нелинейна,
поскольку угол отсечки
,
а значит, и коэффициент Берга
зависят от амплитуды входного напряжения
(рисунок 3).
Исключение
составляет случай, когда положение
рабочей точки совпадает с началом
характеристики. При этом, как легко
видеть,
независимо от
.
Работа усилителя с углом отсечки 90° выгодна еще и потому, что в отсутствие высокочастотного сигнала (режим «молчания») постоянная составляющая коллекторного тока обращается в нуль. Данное обстоятельство благоприятно сказывается на КПД усилителя.
Рисунок 3
Важным
параметром колебательной характеристики
является ширина ее линейного учета,
который определяет динамический диапазон
усиливаемых сигналов. Естественная
причина, ограничивающая рост колебательной
характеристики, состоит в следующем:
при некотором критическом значении
амплитуды входного сигнала
колебательное напряжение на контуре
становится близким по значению к
напряжению источника питания
.
Дальнейший рост амплитуды напряжения
на контуре становится невозможным,
поскольку при этом в некоторые моменты
времени мгновенное значение напряжения
на коллекторе транзистора становится
малым. Как следствие, нормально запертый
коллекторный переход открывается и
цепь коллектор
—
база
— источник
сигнала
—
источник питания резко шунтирует
колебательную систему усилителя.
Если
,
то говорят, что усилитель работает в
перенапряженном режиме. Этот режим
непригоден для усиления АМ - сигналов.
Однако, значительно снижая напряжение
источника питания, резонансный усилитель
можно перевести в перенапряженный
режим, превратив его в ограничитель
амплитуды квазигармонических колебаний
—
полезное устройство, ликвидирующее
паразитную амплитудную модуляцию ЧМ -
или ФМ - сигналов.