Амплитудный модулятор на транзисторе – Амплитудный модулятор на транзисторе — Студопедия.Нет

docplayer.ru

3.1 Модуляторы ам-сигналов. Способы осуществления амплитудной модуляции

Подавая на безынерционный нелинейный элемент сумму исходных колебаний, в выходном сигнале можно наблюдать всевозможные комбинационные составляющие. Если теперь пропустить выгодной сигнал через линейный частотный фильтр, то можно выделить ряд полезных компонентов преобразованного сигнала. На этом принципе основана ра­бота большого числа радиотехнических устройств, в част­ности модуляторов.

3.1.1 Принцип работы амплитудного модулятора.

Амплитудным модулятором называют устройство, создающее на выходных зажимах АМ-сигнал вида при подаче на входы цепи гармонического несущего коле­банияи низкочастотного модулирующе­го сигнала.Чаще всего амплитудные модуляторы строят, используя эффект преобразования спектра суммы двух сигналов в безынерционном нелинейном эле­менте.

Простейшим амплитудным модулятором служит нелиней­ный усилитель, у которого резонансный контур в выходной цепи настроен на частоту несущего колебания. К входу модулятора приложено напряжение

.

Принцип работы данного модулятора поясняется осцилло­граммами напряжений и токов, показанными на рис. 3.1.

Для определенности считается, что проходная характе­ристика транзистора аппроксимирована отрезками двух пря­мых. За счет того, что рабочая точка перемещается в такт с низкочастотным модулирующим колебанием, происходит непрерывное изменение угла отсечки несущего сигнала. Амплитуда первой гармоники последовательности импульсов коллекторного тока оказывается не постоянной во времени. Колебательный контур фильтрует коллекторный ток, выделяя на выходе АМ-снгнал, т. е. несущее колебание с переменной амплитудой, пропорциональной полезному модулирующему сигналу.

Рис. 3.1. Токи и напряжения в амплитудном модуляторе

Процесс получения АМ-сигнала можно изучить аналитически, применив развитую выше теорию комбинационных частот. Пусть на входе нелинейного элемента с характеристикой простейшего вида (2.38) дейст­вует напряжение причём

В составе тока, проходящего через двухполюсник, можно выделить составляющие с частотами, близкими к , которые образуют амплитудно-модулированный ток

. (3.1)

Как известно, относительный уровень боковых колебаний по сравнению с несущим колебанием равен М/2.

Из формулы (3.1) следует, что в данном случае коэффи­циент амплитудной модуляции выходного сигнала

. (3.2)

3.1.2 Получение сигналов с балансной модуляцией.

Схему ампли­тудного модулятора можно видоизменить таким образом, что на выходе устройства будет получен сигнал с подавлением несущим колебанием, т. е. сигнал с балансной модуляцией .

Структурная схема балансного модулятора представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2 Структурная схема балансного модулятора

Здесь несущее гармоническое колебание с частотой синфазно подводится к нижним входам двух одинаковых амплитудных модуляторови.Модулирующий сигнал поступает на модуляторчерез инверторимеющий коэффициент передачи, равный —1. Поэтому на выходах модуляторов будут получены сигналы

,

где A— постоянный коэффициент.

Инвертор изменяет знак сигналана противополож­ный, так что выходной сигнал

(3. 6)

представляет собой произведение модулирующего и несущего колебаний, т. е. действительно является балансно-модулированным колебанием.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите способы осуществления амплитудной модуляции.

2. Нарисуйте структурную схему балансного модулятора

studfile.net

Модулятор амплитуды мощных сигналов

www.qrz.ru

Амплитудный модулятор

Амплитудным модулятором называется устройство, огибающая высокочастотного сигнала на выходе которого пропорциональна низкочастотному модулирующему колебанию. Рассмотрим случай простейшего гармонического модулирующего колебания:

,

На входе модулятора действует сигнал:

На выходе амплитудного модулятора в этом случае должен быть получен сигнал вида:

где глубина амплитудной модуляции М должна быть пропорциональна амплитуде .

В результате воздействия входного сигнала на нелинейный элемент с кусочно-линейной аппроксимацией в токе последнего появляются гармоники и комбинационные составляющие входных сигналов, а именно составляющие с частотами: (смотри рис. 2). Cоставляющие с частотами и образуют требуемое амплитудно-модулированное колебание. Оно должно быть выделено полосовым фильтром со средней частотой, равной несущей, и полосой пропускания, достаточной для выделения составляющих с частотами .

Рис.2

Как известно, при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ нелинейного элемента первая гармоника тока определяется как:

Для того, чтобы изменение первой гармоники тока отвечало требованию амплитудного модулятора, необходимо обеспечить пропорциональность огибающей импульсов тока низкочастотному сигналу, и независимость от него коэффициента . Следует правильно выбрать режим работы НЭ (смещение и амплитуды входных сигналов). На рисунке 3 показан такой режим работы.

Рис.3

Рабочая точка и амплитуда низкочастотного сигнала выбираются так, чтобы высокочастотные импульсы тока имели бы угол отсечки близкий к , т.е. , . В этом случае , а огибающая импульсов тока пропорциональна низкочастотному сигналу:

.

Таким образом, первая гармоника тока:

,

а на выходе фильтра получится напряжение:

где и- сопротивление и фаза фильтра на несущей частоте, – амплитуда несущей на выходе модулятора, .

Ясно, что в этом случае глубина модуляции невелика – это недостаток такого вида модулятора.

Принципиальная схема простейшего амплитудного модулятора на транзисторе с ОЭ приведена на рисунке 4.

Рис.4

Для правильного выбора режима работы нелинейного элемента следует снять так называемую статическую модуляционную характеристику (СМХ). Для схемы рис.4 такой характеристикой является при постоянной величине амплитуды несущей на входе. Типичный вид такой характеристики показан на рисунке 5.

Рис.5

Середина линейного участка СМХ определяет рабочую точку транзистора (). Величина определяет изменение низкочастотного сигнала и максимально возможный (с минимальными искажениями) коэффициент глубины модуляции:

Если на входе модулятора действует более сложный низкочастотный сигнал, например такой:

то при удовлетворении условия и , огибающая импульсов тока будет равна:

,

следовательно,

.

При настройке фильтра на частоту несущей и полосе пропускания (при добротности контура ) на выходе модулятора получится высокочастотный сигнал, огибающая которого пропорциональна .

Заход мгновенного входного напряжения в области нелинейного участка СМХ приведет к появлению в первой гармонике тока составляющих с частотами ( k=2,3,4,…), которые фильтр не сможет подавить, т.к. они попадут в его полосу пропускания. Следовательно, в этом случае нарушится основное требование, предъявляемое к амплитудному модулятору, а именно: огибающая амплитудно-модулированного сигнала должна быть пропорциональна низкочастотному сигналу.

jstonline.narod.ru

IV. Расчёт амплитудного модулятора — КиберПедия

Передатчики с амплитудной модуляцией применяют для телефонной связи, радиовещания, передачи телевизионных изображений. Их мощность зависит от назначения линии связи и ее протяженности и колеблется от долей ватт до десятков мегаватт. Передатчики с АМ работают во всех диапазонах радиочастот. Структурная схема АМ-передатчика, как правило, многокаскадная, что определяется высокими требованиями к стабильности частоты передатчика.

При испытаниях, настройке передатчика и теоретических исследованиях модулирующий сигнал s(t) считают гармоническим с частотой Ω. По этому закону должна меняться амплитуда тока в антенне передатчика относительно значения, определяющего режим молчания I_{а. мол}, когда сигнал информации отсутствует:

, (4.1)

где – коэффициент модуляции. Ток пропорционален амплитуде модулирующего напряжения U_W и коэффициенту модуляции m.

Амплитудную модуляцию можно осуществить в любом из усилительных каскадов передатчика, если по закону сигнала информации менять фактор модуляции: одно или несколько питающих напряжений, сопротивления резисторов в цепи антенны, токи питания. В УМ при АМ необходимо обеспечить не только высокие КПД и коэффициента усиления К_р, но также обеспечить качество модуляции и малые искажения, которые появляются при преобразованиях сигнала информации, при этом работу каскада с АМ удобно оценивать с помощью модуляционных характеристик, указанных выше.

Энергетические и качественные показатели передатчика зависят от того, какое из питающих напряжений меняется при модуляции. Различают два основных вида амплитудной модуляции: напряжением смещения Е_с и напряжением питания цепи коллектора Е_п. Кроме того, применяют комбинированную модуляцию, при которой меняются одновременно несколько питающих напряжений.

Модуляция смещением.

По сигналу информации изменяют напряжение смещения на входе АЭ: Е_с= Е_{с. мол} +U_WcosWt, при этом схему модулированного усилителя мощности составляют по общим правилам, добавляя только источник модулирующего напряжения с амплитудой U_W, который включают последовательно с источником Е_{с. мол}, задающим режим молчания.

При модуляции смещением используется недонапряженный режим. Напряжение Е_с влияет на составляющие коллекторного тока I_к1, I_к0, которые в недонапряженном режиме пропорциональны коэффициентам разложения g₁(q), g₀(q). Эти зависимости нелинейные, поэтому получить 100% – ную неискаженную модуляцию коллекторного тока при модуляции смещением не удается. Максимальный коэффициент модуляции при малых нелинейных искажениях m=0,6.

Расчет каскада начинают с максимальной точки, выбрав критический режим, а для уменьшения нелинейных искажений угол отсечки коллекторного тока q_max выбирают в пределах 110…120°. В результате расчета определяют токи, напряжения, мощности, КПД и сопротивление R_к. Мощность, потребляемая от модулятора Р_W= 0,5I_WU_W, где I_W – амплитуда первой гармоники звуковой составляющей входного тока. Мощность модулятора Р_W невелика, составляет несколько процентов Р_{1 мол}. В этом достоинство модуляции смещением, поэтому её обычно реализуют в одном из маломощных каскадов передатчика.

Коллекторная модуляция.

Модулирующее напряжение вводится последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора Е_{п. мол}, определяющим режим молчания:

Е_п = Е_{п. мол} +U_W cos Wt=Е_{п. мол}(1+mcosWt), (4.2)

где m=U_W/ Е_{п. мол}.

При коллекторной модуляции используется перенапряженный режим. Статистические модуляционные характеристики при коллекторной модуляции АЭ представляют собой зависимости показателей режима от напряжения Е_п при постоянных Е_с, U_в, R_к. Токи I_к1, I_к0 при вариации Е_п меняются в ПР и возрастают почти линейно с ростом Е_п, а в НР они практически не меняются. Известно, что ПР характеризуется большими входными токами, мощностями возбуждения и рассеяния, что приводит к тяжелому режиму АЭ и низкому усилению К_р. Напряженность режима удается несколько ослабить, уменьшив входной ток за счет введения автоматического смещения на входе АЭ вместо внешнего источника смещения. или применив одновременную модуляцию выходного и предвыходного каскадов. Модуляция получается комбинированной. При этом статические характеристики токов в цепи коллектора становятся более линейными.

Номинальная мощность транзистора должна соответствовать мощности в максимальном режиме Р_{1 ном} = Р_1max. Остальные соображения по выбору АЭ – те же, что и при отсутствии модуляции.

Варианты схем модулируемого каскада различаются типами АЭ, цепями согласования и др. элементами схем. Главное, что в цепи питания анода или коллектора последовательно с источником Е_{п. мол} подают с выхода модулирующего каскада напряжение U_W.

Пример расчёта амплитудного модулятора

4.1.Выполнить расчёт амплитудного модулятора с модуляцией смещением для структурной схемы из примера 1.1.

Решение:

Энергетический расчёт включает в себя [13]:

1. Выбор типа транзистора по исходным данным.

2. Расчёт коллекторной цепи.

3. Расчёт базовой цепи.

В качестве каскада, в котором можно осуществлять модуляцию смещением для получения АМ-сигналов можно выбрать (см. рис. 1.1) усилитель мощности или предвыходной модуль. Выберем каскад УМ1, при этом все последующие каскады будут работать в режиме усиления модулированных колебаний.

Исходными данными будут:

– мощность, выделяемая в следующий каскад (УМ1) в максимальном (пиковом) режиме Р_1м = 0,25 Вт;

– индекс модуляции m = 0,6

– верхняя частота сигнала f_в = 50 МГц.

1. В качестве активного элемента выберем кремниевый маломощный высокочастотный транзистор КТ602А. Для транзистора КТ602А из справочника [12] выпишем необходимые для расчёта значения характеристик и параметров: E_{к доп} = 100 В, I_{к max} = 75 мА, P_{к max} = 2,8 Вт (с отводом тепла), h_21Э = 20-80, I_К.об=70 мкА, f_гр = 150 МГц, напряжение насыщения коллектор-эмиттер (при I_К = 50 мА) Е_{нас КЭ} = 3 В, напряжение насыщения база-эмиттер (при I_К = 50 мА) Е_{нас БЭ} = 3 В, максимальная рассеиваемая мощность с теплоотводом P_{рас макс} = 0,55 Вт, ёмкость коллекторного перехода С_к = 4 пФ, постоянная времени цепи обратной связи = 300 пс.

Расчёт коллекторной цепи.

2. Угол отсечки выберем равным q_к.max = 120⁰. По таблицам А.И. Берга находим α_0к=0,405; α_1к=0,54; cosq_к.max = 0,5.

3. Определим напряжение на коллекторе Е_к = 0,5·E_{к доп} = 50 В.

4. Определим коэффициент использования коллекторного напряжения в критическом режиме

,

где определим из справочных данных, как .

Тогда

.

5. Определим амплитуду напряжения на коллекторе

,

В.

6. Определим амплитуду первой гармоники коллекторного тока

,

мА.

7. Определим максимальный коллекторный ток (высоту импульса тока коллектора)

,

мА.

8. Определим постоянную составляющую коллекторного тока

,

< I_{к max} = 75 мА.

9. Определим эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим

,

Ом.

10. Определим мощность, потребляемую от источника питания коллекторной цепью транзистора

,

Вт.

11. Определим полезную колебательную мощность на коллекторной нагрузке

,

Вт ≈ 0,25 Вт.

12. Определим мощность рассеивания, выделяемую на коллекторе транзистора

,

Вт < P_{рас макс}.

13. Определим КПД генератора по коллекторной цепи

,

.

Расчёт базовой цепи

14. Определим угол дрейфа используемого транзистора на рабочей частоте

а) Рассчитаем время дрейфа используемого транзистора

,

сек.

б) угол дрейфа на рабочей частоте

,

.

15. Определим нижний угол отсечки положительных импульсов эмиттерного тока

,

.

По таблицам А.И. Берга коэффициенты разложения , и величина .

16. Определим модуль коэффициента усиления транзистора по току на рабочей частоте

,

.

17. Определим первую гармонику тока эмиттера

,

мА.

18. Определим высоту (максимальное значение) положительного импульса эмиттерного тока

,

мА.

19. Определим постоянную составляющую импульса тока эмиттера

,

мА.

20. Определим амплитуду переменного напряжения на переходе эмиттер-база транзистора, обеспечивающую вышерассчитанный ток .

,

где – коэффициент включения коллекторного тока в состав эмиттерного, выбирается из диапазона 0,95-0,99;

D – коэффициент, учитывающий рост ВАХ в активной области, для данного случая выберем его значение равное нулю;

S_к – статическая крутизна коллекторного тока, которую определим как .

В.

21. Определим модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с зажимов входных электродов на переход эмиттер-база транзистора

,

.

22. Определим амплитуду напряжения возбуждения, требуемую от внешнего источника (нагрузки предыдущего каскада, в нашем случае – автогенератора, см. рис. 1.1) на рабочей частоте

,

В.

23. По графику (рис. П2, см. справочные данные) найдём величину коэффициента K_R: для К_пер=0,149 K_R = 0,1.

24. Определим приближённое значение входного сопротивления каскада по высокой частоте

,

где .

Ом,

Ом.

25. Определим мощность возбуждения цепи базы (мощность, поступающей на входные зажимы) транзистора на высшей рабочей частоте

,

мВт.

26. Определим первую гармонику тока базы

,

мА.

27. Определим реальную величину постоянного тока базы

,

мА.

28. Определим напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки положительных импульсов тока эмиттера

,

где Ом,

Е’ – напряжение отсечки (для кремниевого транзистора 0,65 В).

В.

29. Определим угол отсечки положительных импульсов тока базы

,

где Е_б0 = (1,25 … 2)·Е’ = 1,25 · 0,65 = 0,81 В.

.

По таблицам А.И. Берга α_0б = 0,194, α_1б = 0,355, cos(θ_{б макс}) = 0,602.

30. Определим максимальное значение (высоту) положительного импульса тока базы

,

мА.

31. Определим постоянную составляющую положительного импульса тока базы

,

мА.

32. Определим мощность, теряемую в цепях базового смещения

,

мВт.

33. Определим мощность рассеивания, выделяемую в цепи базы

,

мВт.

34. Определим коэффициент усиления генераторного каскада по мощности

,

35. Определим суммарную мощность рассеивания, выделяемую в корпусе транзистора

,

мВт < P_{рас макс} = 0,55 Вт.

Аналогичным образом выполняется расчёт коллекторной и базовой цепей модулятора для режима молчания, в котором . В нашем случае мВт.

cyberpedia.su