Надольский А.Н. Теоретические основы радиотехники (2005) (1151788), страница 32
Текст из файла (страница 32)
С энергетической точки зрения усиление в нелинейном режиме болеевыгодно, чем в линейном. Если в линейном режиме при полном использованииколлекторного напряжения КПД усилителя не может превысить 0,5, то в нелинейном режиме в случае, если 900 , КПД может достигнуть величины0,5 2 , т.е. быть примерно в 1,5 раза выше. Кроме того, в этом режиме отсутствует непроизводительный расход энергии во время пауз между импульсамиколлекторного тока.8.2. Умножение частотыВ передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых измерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразованиегармонического колебания, в результате которого частота этого колебания увеличивается в k раз, k – целое положительное число. Такое нелинейное преобразование называется умножением частоты, а устройство, его реализующее, – умножителем частоты.Таким образом, умножитель частоты – это устройство, которое увеличивает в k раз частоту гармонического колебания.
Если на вход умножителя подается сигнал s вх (t ) E cos( 0 t ) , то на выходе формируется сигналsвых ( t ) E вых cos( k 0 t ) , причем некоторые умножители увеличивают в kраз и начальную фазу, т.е. k .Умножители частоты используются при формировании колебаний с высокой стабильностью частоты. Это относится прежде всего к формированию высокочастотных колебаний при кварцевой стабилизации частоты задающего генератора.Собственнаячастотакварцаопределяетсявыражениемf [ МГц ] 2,84 b [ мм] , b – толщина пластинки кварца. Для частоты более50 МГц пластинка должна иметь толщину порядка сотых долей миллиметра.Такие пластинки изготовить очень трудно, они имеют слабую механическуюпрочность.
Поэтому такой метод стабилизации используют в генераторах с частотой до 5 МГц, в отдельных случаях до 50 МГц. Колебания более высоких частот получают с помощью умножителей частоты.В качестве умножителей частоты наиболее часто используют схему нелинейного резонансного усилителя с контуром, настроенным на требуемую частоту. Как было показано ранее, в спектре импульсов тока нелинейного усилителяна транзисторе (работающего в режиме с отсечкой тока) имеются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала.
Если контур усилителя настроить на частоту k-й гармоники, то на выходе будет сформировано гармоническое колебание с частотой этой гармоники.Известно, что амплитуда k-й гармоники определяется выражениемI k I m k ( ) . Следовательно, режим работы усилителя как умножителя частоты должен быть таким, чтобы амплитуда нужной гармоники была наибольшей.При определенном значении I m это обеспечивается оптимальным углом отсечки, при котором k ( ) = max.Практически доказано, что такой угол отсечки, при котором графики k ( ) имеют хорошо выраженные максимумы, равен max 120 o k .
Знаниеугла отсечки дает возможность определить амплитуду E входного сигнала инапряжение U 0 рабочей точки умножителя частоты:ImE,U 0 U 1 E cos .S ср (1 cos )Здесь S ср I k E – средняя крутизна ВАХ транзистора для k-й гармоники,U1 – напряжение отсечки.Рассмотренная схема умножителя может обеспечить умножение частотыв 2, реже в 3 раза и не более, ибо амплитуды высших гармоник коллекторноготока быстро убывают с увеличением их частоты. В тех случаях, когда требуетсяумножение частоты сигнала в десятки и более раз, возможно многократное умножение частоты путем последовательного включения нескольких умножителей.
Однако более целесообразно использовать другой метод.Известно, что спектр периодической последовательности видеоимпульсовсодержит бесконечное число гармонических составляющих с частотами, кратными частоте следования импульсов 1 . Амплитуды этих гармоник при и T достаточно велики в широком диапазоне частот (ширина основноголепестка спектра равна 1 и ). Поэтому с помощью узкополосных фильтровможно выделить гармоники с частотами k1 при значениях k более десяти.Схема такого умножителя содержит нелинейный преобразователь гармонического колебания в периодическую последовательность очень коротких подлительности видеоимпульсов с частотой повторения, равной частоте входногоколебания, т.е.
1 0 . Необходимая гармоника спектра этих импульсов выделяется фильтром.Еще больший коэффициент умножения можно получить, если использовать периодическую последовательность радиоимпульсов. Спектр такого сигнала сосредоточен в области частоты н несущего колебания. В составе этогоспектра содержатся гармонические составляющие с частотами н k1 , значительно превышающими частоту входного колебания. Схема такого умножителясложная, так как должна содержать импульсный амплитудный модулятор, преобразующий колебания с частотой н в периодическую последовательностьрадиоимпульсов с частотой следования 1 0 .Умножение частоты можно осуществить также с помощью параметрических цепей (например цепей с варактором). В рамках данного учебного пособияэта проблема не рассматривается.8.3.
Амплитудная модуляция8.3.1. Общие сведения об амплитудной модуляцииАмплитудная модуляция – это процесс формирования амплитудно-модулированного сигнала, т.е. сигнала, амплитуда которого изменяется по законумодулирующего сигнала (передаваемого сообщения). Этот процесс реализуетсяамплитудным модулятором.Амплитудный модулятор должен формировать высокочастотное колебание, аналитическое выражение для которого в общем случае имеет видs (t ) U ( t ) cos( 0t ) [U н k a s м (t )] cos( 0 t ) ,(8.1)где U (t ) – огибающая модулированного колебания, описываемая функцией, которая характеризует закон изменения амплитуды;s м (t ) – модулирующий сигнал; 0 и – частота и начальная фаза высокочастотного колебания.Для получения такого сигнала необходимо осуществить перемножение высокочастотного (несущего) колебания s н ( t ) U н cos( 0 t ) и низкочастотного модулирующего сигнала s м (t ) таким образом, чтобы сформировалась огибающая вида U (t ) U н k a s м (t ) .
Наличие постоянной составляющей в структуре огибающей обеспечивает однополярность ее изменения, коэффициент kaисключает перемодуляцию, т.е. обеспечивает глубину модуляции m 1 . Понятно, что такая операция перемножения будет сопровождаться трансформациейспектра, что позволяет рассматривать амплитудную модуляцию как существенно нелинейный или параметрический процесс.Структура амплитудного модулятора в случае использования нелинейногоэлемента представлена на рис. 8.4.Рис. 8.4.
Структурная схема амплитудного модулятораНелинейный элемент осуществляет преобразование несущего колебания имодулирующего сигнала, в результате чего формируется ток (или напряжение),в спектре которого содержатся составляющие в полосе частот от 0 m до 0 m , причем m – наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала.Полосовой фильтр выделяет эти составляющие спектра, формируя амплитудномодулированный сигнал на выходе.Перемножение двух сигналов можно осуществить с помощью нелинейногоэлемента, характеристика которого аппроксимируется полиномом, содержащимквадратичный член.
Благодаря этому формируется квадрат суммы двух сигналов, содержащий их произведение.Суть сказанного и общую идею формирования амплитудно-модулированного колебания иллюстрируют достаточно простые математические преобразования в предположении, что осуществляется тональная (одной частотой) модуляция.1. В качестве нелинейного элемента используем транзистор, ВАХ которогоаппроксимируется полиномом второй степени i a 0 a1u a 2 u 2 .2. На вход нелинейного элемента подается напряжение, равное сумме двухколебаний: несущего и модулирующего, т.е.u ( t ) U н cos( 0 t ) U м cos( t ) .Начальные фазы колебаний будем считать в дальнейшем равными 0, т.к.
ихвеличины не имеют принципиального значения для понимания процесса амплитудной модуляции.3. Спектральный состав тока определяется следующим образом:i ( t ) a 0 a1 (U н cos 0 t U м cos t ) a 2 (U н cos 0 t U м cos t ) 2 a2U н2 a2U м2 a2U м2 a0 a U м cos t cos 2t a2U нU м cos(0 )t 22 12a 2U н2cos 2 0 t .2В полученном выражении спектральные составляющие расположены в порядке возрастания их частот.
Среди них имеются составляющие с частотами 0 , 0 и 0 , которые образуют амплитудно-модулированное колебание, т.е.iам ( t ) a 2U нU м cos( 0 ) t a1U н cos 0 t a 2U нU м cos( 0 ) t a a1U н (1 2U м 2 cos t ) cos 0t I (1 m cos t ) cos 0t ,a1aгде I a1U н и m 2U м 2 .a1В передающих устройствах обычно совмещают процессы модуляции иусиления, что обеспечивает минимальные искажения модулированных сигна a1U н cos 0 t a 2U нU м cos( 0 )t лов. С этой целью амплитудные модуляторы строят по схеме резонансных усилителей мощности, в которых изменение амплитуды высокочастотных колебаний достигается изменением положения рабочей точки по закону модулирующего сигнала.8.3.2.
Схема и режимы работы амплитудного модулятораСхема амплитудного модулятора на основе резонансного усилителя представлена на рис. 8.5.Рис. 8.5. Схема амплитудного модулятора на основерезонансного усилителяНа вход резонансного усилителя, работающего в нелинейном режиме, подаются:несущее колебание sн (t ) от автогенератора с помощью высокочастотнойтрансформаторной связи контура входной цепи с базой транзистора;модулирующий сигнал s м (t ) с помощью низкочастотного трансформатора.Конденсаторы C1 и C 2 – блокировочные, обеспечивают развязку входныхцепей по частотам несущего колебания и модулирующего сигнала, т.е. развязкупо высокой и низкой частотам.
Колебательный контур в цепи коллектора настроен на частоту несущего колебания, добротность контура обеспечивает полосу пропускания 2 m , где m – наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала.Выбором рабочей точки определяется режим работы модулятора. Возможны два режима: режим малых и режим больших сигналов.а. Режим малых входных сигналовЭтот режим устанавливается выбором рабочей точки в середине квадратичного участка ВАХ транзистора. Выбором амплитуды несущего колебанияобеспечивается работа модулятора в пределах этого участка (рис.