Лекция 28 (лекции по УГФС), страница 2

соответственно у генератора АМГ2 при полной идентичности схем с учётом противофазности модулирующего сигнала выходной ток

(28.2)

Результирующий ток через общий контур

(28.3)

определяется только боковыми частотами. Уровень их на выходе удвоился.

Пусть в схеме (рис.28.1,б) у генератора АМГ1 выходной ток определяется (28.1). Тогда у генератора АМГ2 с учётом противофазности модулирующего и модулируемого сигналов по отношению к АМГ1 выходной ток

Результирующий ток через общий контур

,

что совпадает с (28.3).

Очевидно, если токи одного из генераторов будут отличаться от определённых выше, то полного подавления несущего колебания не будет. Соответственно и результирующий уровень боковых частот будет отличаться от удвоенного.

При полной симметрии схемы БМ на выходе его в режиме молчания сигнал отсутствует, соответственно отсутствует колебательная мощность. А это означает, что вся потребляемая по выходным цепям АМГ мощность рассеивается на выходных электродах. Очевидно, рассеиваемая в этом режиме мощность не должна превышать допустимую.

В ыше отмечалось, что АМГ балансного модулятора может быть выполнен по любой известной схеме осуществления амплитудной модуляции. То есть можно использовать модуляцию смещением (сеточную или базовую), анодную или коллекторную, анодно-экранную, пентодную. Генераторы при этом включаются по схемам рис.28.1. Вместе с тем, в технике радиопередающих устройств широкое применение получили БМ на диодах (диодные БМ).

На рис.28.2 представлена простейшая схема осуществления амплитудной модуляции с использованием диода, то есть схема диодного амплитудно-модулируемого генератора.

К диоду Д прикладываются напряжение модулирующего сигнала с частотой Ω и напряжение модулируемого сигнала с частотой ω. Модулирующий сигнал выполняет роль изменяющегося напряжения смещения на диоде. При отсутствии модулирующего сигнала через диод протекает ток в виде импульсов косинусоидальной формы с частотой высокочастотного сигнала ω. Колебательная система на выходе выделяет из этих импульсов ток первой гармоники неизменной амплитуды, соответствующей режиму молчания. При появлении модулирующего сигнала с частотой Ω изменяются амплитуда и нижний угол отсечки тока диода. Амплитуда импульсов тока диода изменяется в пределах i_{Д МАКС}, i_{Д МИН}, как показано на рис.28.3. В соответствии с изменением амплитуды и угла отсечки импульсов тока диода изменяется амплитуда первой гармоники, напряжение которой выделяется на выходном контуре. Ёмкость С₁ на схеме (рис.28.2) создаёт путь токам высокой частоты, минуя модуляционный трансформатор. Ёмкость С₂ вместе с подключенной параллельно ей индуктивностью формирует избирательный контур, настроенный на частоту первой гармоники.

Очевидным недостатком диодного АМГ является низкий коэффициент передачи по мощности, который всегда меньше единицы, так как используемый для осуществления модуляции диод не является усилительным элементом, в отличие от ламп и транзисторов. По этой причине диодные АМГ не могут использоваться в качестве мощных каскадов, например, радиопередающих устройств, но могут использоваться на низком уровне мощности. В диодном АМГ не может быть получена 100% модуляция с хорошими качественными показателями, учитывая, что статическая ВАХ диода имеет, как правило, заметно выраженную нелинейность в своей нижней части. Очевидно также, что для получения 100% модуляции уровни высокочастотного и низкочастотного сигналов должны быть соизмеримы, что значительно увеличивает обратное напряжение на диоде, которое может превысить допустимое.⁷ Более того, в диодном АМГ выходное напряжение также прикладывается к диоду (между анодом и катодом диода), как и входные напряжения, что дополнительно заставляет снижать величины рабочих напряжений на диоде и получать меньше мощность выходных колебаний. Тот факт, что в диодном АМГ выходное напряжение прикладывается к тем же электродам, где действуют остальные напряжения, обусловливает их взаимодействие, что приводит к появлению различного вида комбинационных частот ± mω± nΩ, некоторые из которых оказываются вблизи рабочей частоты и соответственно искажают форму выходного сигнала.⁸ В ламповых и транзисторных АМГ входные и выходной сигнал действуют на разных электродах. По крайней мере все три сигнала никогда не оказываются вместе. Это способствует уменьшения числа и уровней комбинационных частот в ламповых и транзисторных АМГ.

На рис.28.4 представлены принципиальные схемы диодных БМ, соответствующие схемам рис.28.1. Работа диодных БМ и соотношения для токов в них аналогичны рассмотренным выше. В схеме (рис.28.4.б) индуктивности L и ёмкости С₁ разделяют токи высокой и низкой частот. Недостатком представленных схем диодных БМ (рис.28.4) является большое число комбинационных частот.

Гораздо меньше комбинационных частот получается в схеме кольцевого БМ. Кольцевой БМ может быть реализован как на активных элементах: лампах и транзисторах, так и на диодах. Так как использование кольцевых БМ в первую очередь обусловливается необходимостью сокращения на выходе комбинационных частот, число которых при использовании ламп и транзисторов, как отмечалось, не столь и велико, то кольцевые БМ на транзисторах (биполярных или полевых) применяются редко, а на лампах вообще не применяются. В основном применяют кольцевые БМ на диодах. В общем случае кольцевой БМ представляет два БМ, работающих на общую нагрузку.

На рис.28.5 представлены обобщённые схемы кольцевых БМ, реализуемых на основе БМ по схемам рис.28.1. Идея кольцевого БМ понятна из представленного рисунка.

Н
етрудно видеть, что схема рис.28.5,б в чистом виде представляет параллельное соединение двух БМ. Следовательно, в отношении числа комбинационных частот она не даёт никаких преимуществ по сравнению с одним БМ по двухтактно-параллельной схеме. По сравнению с одиночным БМ в схеме удваивается уровень боковых и нежелательных комбинационных частот. Схема рис.28.5,а представляет два БМ по двухтактно-параллельной схеме, подключенных последовательно к нагрузке, как в двухтактной схеме. Следовательно, схема объединяет в себе свойства двухтактно-параллельной схемы БМ и двухтактной схемы БМ. Именно последнее обусловливает уменьшение числа комбинационных частот, токи которых протекают через нагрузку навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Уровни боковых и остальных комбинационных частот удваиваются в схеме. Таким образом, практический интерес представляет кольцевой БМ по схеме рис.28.5,а. Именно эта схема, реализуемая на диодах, рассматривается во всех учебниках и других работах, где обсуждаются вопросы формирования однополосного сигнала.

Схема диодного кольцевого БМ представлена на рис.28.6. На диодах Д₁, Д₂ выполнены АМГ1 и АМГ2 соответственно. На диоде Д₄ выполнен АМГ1^/, а на диоде Д₃ – АМГ2^/. Противофазность высокочастотного напряжения на диодах Д₃, Д₄ обеспечивается за счёт обратной полярности их подключения по сравнению с диодами Д₁, Д₂. Для выравнивания параметров диодов последовательно с ними включены резисторы, сопротивления которых много больше сопротивлений диодов в открытом состоянии, что улучшает линейность СМХ. За счёт этих резисторов обеспечивается также смещение рабочих точек диодов.

На рис.28.7 представлена схема кольцевого БМ на транзисторах. Противофазность сигналов, подаваемых на транзисторы в соответствии со схемой рис.28.5,а, обеспечивается трансформаторами со средними точками, что упрощает реализацию схемы. В схеме обеспечивается больший уровень полезного сигнала благодаря усилительным свойствам транзисторов и уменьшение на выходе числа мешающих комбинационных частот.

Очевидно, в схеме любого БМ для полного подавления на выходе колебания несущей частоты должна быть обеспечена полная идентичность параметров используемых нелинейных элементов: диодов, транзисторов, ламп. Труднее всего подобрать идентичные транзисторы. Для изготовления БМ применяют диодные и транзисторные сборки ⁹, а также специальные микросхемы. Применение диодных сборок или согласованных пар биполярных или полевых транзисторов позволяет обеспечить подавление несущего колебания на 35…45 дБ.

Помимо рассмотренных выше двухтактной и двухтактно-параллельной схем БМ на двух диодах (рис.28.4) и кольцевых диодных БМ на четырёх диодах (рис.28.6) известны мостовые (параллельная и последовательная) схемы БМ с применением двух и четырёх диодов. В отношении уровня полезного сигнала и числа нежелательных комбинационных частот мостовые схемы уступают рассмотренным выше, поэтому применение их ограничено и в лекции они не обсуждаются.

Основной трудностью при формировании однополосного сигнала является подавление одной боковой полосы.

Н апример, пусть полоса модулирующих частот (100…7000) Гц. Спектральная картина АМ колебания с несущей частотой f₀ для этого случая показана на рис.28.8.

Несущая частота на выходе может быть подавлена с помощью БМ. Предположим теперь, что выделение нужной боковой полосы, например, верхней, производится с помощью фильтра. Очевидно, что в точке а на границе нижней боковой полосы затухание фильтра должно удовлетворять требуемым нормам, то есть должно быть не менее 40 дБ. Из рис.28.8 следует, что при затухании 40 дБ в точке а крутизна ската АЧХ фильтра должна быть равной

.

Создать фильтр с использованием L,C элементов с подобной крутизной ската АЧХ в коротковолновом диапазоне частот (3…30) МГц, где ОМ наиболее широко применяется, практически не представляется возможным. Легко также убедиться, что отфильтровать одну боковую полосу с помощью высокочастотных контуров в этом диапазоне частот также невозможно. Действительно, пусть несущая частота f₀ = 3·10⁶ Гц, а добротность контура Q = 300. Полоса пропускания такого контура по уровню 0,707 (– 3 дБ)

кГц.

Как видно, в данном примере при отклонении частоты на 5 кГц от центральной обеспечивается затухание всего 3 дБ (S_Ф = 0,6·10^-3 дБ/Гц). С увеличением несущей частоты полоса пропускания контура увеличивается. Следовательно, обеспечить затухание 40 дБ на интервале в 200 Гц с помощью контуров нереально.