Лекция 26

Анодная и коллекторная амплитудная модуляция: принцип, схемы, статические модуляционные характеристики. Энергетические и качественные показатели. Основы инженерного расчёта. Схемы модуляторов. Модулятор с последовательным включением транзисторов. Комбинированные (двойная и тройная) анодная и коллекторная модуляции.

При анодной модуляции напряжение модулирующего сигнала заводится в цепь питания анода и управляет амплитудой импульсов соответственно и амплитудой первой гармоники анодного тока. Другие напряжения питания лампы, такие как смещение Е_С и возбуждение U_MC , остаются неизменными. Аналогично в транзисторном генераторе при осуществлении коллекторной модуляции напряжение модулирующего сигнала заводится в цепь питания коллектора и управляет амплитудой импульсов и амплитудой первой гармоники коллекторного тока. Смещение Е_Б и возбуждение U_МБ остаются неизменными.

Как ниже увидим, системы с анодной и коллекторной модуляцией обладают более высокой энергетической эффективностью, чем системы с модуляцией смещением (то есть с сеточной и базовой модуляцией). В связи с этим схемы анодной модуляции находят очень широкое применение в мощных радиовещательных и телефонных радиопередатчиках. Коллекторная модуляция является основным видом амплитудной модуляции (АМ), применяемой в транзисторных генераторах.

Возможные схемы генераторов с анодной и коллекторной АМ представлены на рис.26.1,а,б соответственно. В представленных схемах использовано последовательное питание анода (коллектора), что более наглядно, но непринципиально для рассмотрения сути и основных положений данного вида АМ.

При анодной модуляции напряжение питания анода изменяется по закону

, (26.1)

где Е_АН – постоянное напряжение анодного питания в режиме несущей частоты (режим молчания); U_AΩ – амплитуда модулирующего напряжения; m = U_AΩ /Е_АН – коэффициент модуляции анодного напряжения.

Аналогично при коллекторной модуляции

, (26.2)

где Е_КН – постоянное напряжение питания коллектора в режиме несущей частоты (режим молчания); U_КΩ – амплитуда модулирующего напряжения; m = U_КΩ /Е_КН – коэффициент модуляции коллекторного напряжения.

Зависимости I_A1(Е_А), I_А0(Е_А) в ламповом генераторе и I_К1(Е_К), I_К0(Е_К) в транзисторном генераторе представляют статические модуляционные характеристики (СМХ) соответственно при анодной и коллекторной модуляции. Эти зависимости рассматривались нами в лекции 8 при изучении зависимости режима ГВВ от напряжения питания выходной цепи АЭ (рис.8.15 – рис.8.17). СМХ генераторов с анодной и коллекторной АМ показаны на р
ис.26.2,а, б соответственно.¹

Об особенностях СМХ (рис.26.2,а, б) мы поговорим ниже, а сейчас отметим, что, как видно из модуляционных характеристик, возрастание амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока с увеличением напряжения на аноде (коллекторе) имеет место в области недонапряжённого режима (активная область у транзистора) и в перенапряжённом режиме (область насыщения у транзистора). Следовательно, анодная и коллекторная АМ могут быть осуществлены в недонапряжённом и перенапряжённом режимах ГВВ. Однако недонапряжённый режим, как правило, не используется, за исключением редких случаев ламповых генераторов на СВЧ. Во-первых, недонапряжённый режим, как мы знаем, энергетически невыгоден; во-вторых, в области недонапряжённого режима крутизна СМХ мала (если D = 0, то S_МХ = 0 в области недонапряжённого режима) и не может быть получена 100% модуляция, так как ток не уменьшается до нуля в области недонапряжённого режима. Поэтому наиболее широко, если не сказать, что исключительно, анодная и коллекторная АМ осуществляются в перенапряжённом режиме работы генератора. Именно на рассмотрении такой модуляции мы и остановимся в настоящей лекции.

Если принять СМХ при анодной (коллекторной) модуляции в перенапряжённом режиме линейными и выходящими из начала координат, то изменение напряжения на аноде по закону (26.1) или напряжения на коллекторе по закону (26.2) вызывает соответствующее изменение амплитуды первой гармоники анодного тока

или коллекторного тока

,

где в обоих случаях m – коэффициент модуляции анодного (коллекторного) тока, равный коэффициенту модуляции соответствующего напряжения; I_A1Н, I_К1Н – амплитуда первой гармоники анодного (коллекторного) тока в режиме несущей частоты (режим молчания).

В режиме максимальной мощности анодное (коллекторное) напряжение

,

анодный (коллекторный) ток

.

Колебательная мощность, которую должна обеспечить лампа или транзистор в максимальном режиме,

, (26.3)

где ξ_МАКС – коэффициент использования анодного (коллекторного) напряжения в максимальном режиме. Очевидно, для режима максимальной мощности может быть допущен критический по напряжённости режим, являющийся оптимальным режимом для ГВВ без модуляции.

В ламповых генераторах параметры модуляции обычно выбираются такими, что в режиме несущей частоты постоянное напряжение на аноде лампы равно своему номинальному (паспортному) значению, то есть Е_АН = Е_{А НОМ}. При этом, согласно (26.1), результирующее напряжение питания на аноде лампы в отдельные моменты времени будет превышать номинальное напряжение. Однако подобный режим кратковременный и, как правило, не является опасным для лампы.

Ток I_А1МАКС в режиме максимальной мощности равен максимальному (номинальному) значению тока для данной лампы, то есть

I_А1МАКС = I_А1НОМ.

В режиме несущей частоты при линейной модуляции

I_А1Н = I_А1МАКС/(1+m) = I_А1НОМ/(1+m). (26.4)

При анодной модуляции в перенапряжённом режиме в силу линейной зависимости I_A1(Е_А) (рис.26.2,а) уравнение СМХ описывается уравнением прямой линии, проходящей через начало координат, то есть справедливо считать

I_А1 = k₁Е_А, (*)

где k₁ – коэффициент, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой линии относительно оси Е_А.

При этом оказывается, что коэффициент использования анодного напряжения остаётся при модуляции неизменным, то есть одинаковым во всех режимах. Действительно,

. (26.5)

Учитывая (26.4), (26.5) для мощности максимального режима (26.3) можно записать

, (26.6)

где P_~НОМ – номинальная мощность лампы (колебательная мощность, отдаваемая лампой в номинальном режиме).

С другой стороны, согласно общим положениям АМ,² мощность максимального режима

. (26.7)

Из равенства последних соотношений следует, что при анодной модуляции лампа должна выбираться на мощность

. (26.8)

При 100% модуляции (m = 1) согласно (26.6), (26.7)

.

Соответственно

P_~НОМ = P_~МАКС/2 = 2P_~Н. (26.9)

Таким образом, при анодной модуляции лампа в отдельные моменты времени отдаёт мощность больше номинальной (паспортной). При этом в максимальном режиме при 100% модуляции отдаваемая лампой мощность превышает её номинальную мощность в 2 раза. Такой результат объясняется тем, что при анодной модуляции лампа полностью используется по току в максимальном режиме при напряжении на аноде в 2 раза больше номинального. На рис.26.3 показаны ДХ анодного тока лампы при использовании её в ГВВ без модуляции в оптимальном режиме и для максимального режима при использовании этой лампы в генераторе с анодной модуляцией. Как видно из ДХ, при анодной модуляции лампа переиспользуется по напряжению в 2 раза.

О пыт показывает, что отечественные генераторные лампы допускают 100% анодную модуляцию при анодных напряжениях в режиме несущей частоты (молчания), равных номинальным значениям, но не свыше (11…12) кВ. В противном случае в режиме несущей частоты, если необходимо получить 100% модуляцию, напряжение Е_АН должно выбираться меньше Е_АНОМ. Некоторое уменьшение Е_АН по сравнению с Е_{А НОМ} желательно также в генераторах коротковолнового диапазона (декаметровые волны), так как это позволяет уменьшить требуемое значение R_oe и повысить КПД анодного контура. При Е_АН < Е_{А НОМ} и m = 1 номинальная мощность лампы, в отличие от (26.9), должна удовлетворять условию

P_~НОМ > 2P_~Н.

В предельном случае, когда Е_{А МАКС} = Е_{А НОМ}, лампа должна выбираться на такую же номинальную колебательную мощность, как и при сеточной модуляции, то есть

В этом случае никакого отличия в выборе лампы по величине необходимой колебательной мощности для генератора с анодной модуляцией по сравнению с сеточной модуляцией нет.

Обратим внимание, что в мощных генераторах с анодной АМ мгновенное напряжение на аноде лампы в режиме максимальной мощности достигает очень больших значений. Например, при Е_АН = Е_{А НОМ} = 10 кВ; ξ = ξ_КР = 0,9; m =1

Конструкция лампы должна выдерживать столь большое напряжение. В противном случае необходимо выбирать Е_АН < Е_{А НОМ}.

Для мощных генераторных ламп в целях увеличения срока их службы часто принимают

Е_АН = (0,7…0,8) Е_{А НОМ}.

Номинальная мощность транзистора, в отличие от лампы, определяется при полном использовании по току и по напряжению. Следовательно, транзистор не имеет запаса по напряжению и при осуществлении 100% коллекторной модуляции предельное значение Е_{К МАКС} = Е_{К НОМ}, соответственно

Е_КН = Е_{К НОМ}/2.

Номинальная мощность транзистора для генератора с коллекторной модуляцией должна удовлетворять условию

(26.10)

и оказывается такой же, как для генератора с базовой АМ.