# Ringmodulator

Ein Ringmodulator, auch als Ringmischer, Produktmodulator oder Balance-Modulator bekannt, ist eine elektronische Schaltung, die als symmetrischer Mischer in Überlagerungsempfängern und zur Amplitudenmodulation verwendet wird. Zwei eingehende Wechselspannungen u$_x$ und u$_y$ werden miteinander multipliziert, und man erhält am Ausgang die Spannung u$_a$:
    $u_{\mathrm {a} }=u_{\mathrm {x} }\cdot u_{\mathrm {y} }$
Vier möglichst ähnliche Halbleiter- oder Röhrendioden sind als Diodenquartett in einem Ring angeordnet (siehe Schaltbild). Im Unterschied zur Gleichrichterbrückenschaltung sind alle Dioden in gleichem Umlaufsinn orientiert.

## Funktionsweise

Wenn für das Signal u$_y$ ein Rechteck mit großer Amplitude gegenüber u$_x$ gewählt wird, ergibt sich eine deutlich einfachere Betrachtung. Die Spannung von u$_y$ legt fest, welche Dioden leiten. Hierbei gilt im Normalbetrieb, dass ${\hat {u}}_{\mathrm {y} }\gg {\hat {u}}_{\mathrm {x} }>{\hat {u}}_{\mathrm {a} }$.
Bei einem Übertrager mit Mittelanzapfung und einem Übertragungsverhältnis von 1:1 (d. h. L$_1$=L$_{2a+2b}$ und L$_4$=L$_{3a+3b}$) gilt hierbei:
| Bedingung | Ergebnis |
| $U_{\mathrm {y} }\geq {2\cdot U_{F}}$ | V$_1$ und V$_2$ leiten |
| ${-2\cdot U_{\mathrm {F} }}<U_{\mathrm {y} }<{2\cdot U_{\mathrm {F} }}$ | keine Diode leitet |
| $U_{\mathrm {y} }<{-2\cdot U_{\mathrm {F} }}$ | V$_3$ und V$_4$ leiten |
Dabei ist U$_F$ die Durchlassspannung (englisch: forward-voltage) der Dioden. Da Schottky-Dioden im Gegensatz zu pn-Dioden eine mit $U_{\mathrm {F} }\approx 0{,}3\,{\rm {V}}$ geringere Durchlassspannung besitzen, werden immer Schottky-Dioden verwendet.
Weisen die Spannung u$_y$ und der Strom i$_y$ einen positiven Wert auf, fließt über die Mittelanzapfung von T$_{1/2}$ zu gleichen Teilen ein Strom über die Wicklungen L$_{2a}$ und L$_{2b}$, so dass die Dioden V$_1$ und V$_2$ leiten. Danach gelangt der Strom zu T$_{3/4}$, wo er über die Mittelanzapfung gegen Masse abfließt. Sowohl bei T$_{1/2}$ als auch bei T$_{3/4}$ wird keine Spannung induziert, da die Ströme in entgegengesetzte Richtung fließen und sich die damit verbundenen Magnetfelder neutralisieren.
    $i_{L\mathrm {3a} }=i_{L\mathrm {2a} }={\frac {1}{2}}\,i_{y}$
    $i_{L\mathrm {3b} }=i_{L\mathrm {2b} }=-{\frac {1}{2}}\,i_{y}$
    $i_{L\mathrm {3a} }=-i_{L\mathrm {3b} }\,$
Nun wird über die Wicklung L$_1$ von T$_{1/2}$ ein Strom i$_x$ eingespeist. Damit gilt:
    $i_{L\mathrm {3a} }=i_{L\mathrm {2a} }={\frac {1}{2}}\,i_{y}+i_{\mathrm {x} }$
    $i_{L\mathrm {3b} }=i_{L\mathrm {2b} }=-{\frac {1}{2}}\,i_{y}+i_{\mathrm {x} }$
Durch Gegenüberstellung der Ströme ergibt sich neben dem Gegentaktsignal auch ein Gleichtaktanteil (GL).
    $i_{L\mathrm {3GL} }={\frac {i_{L\mathrm {3a} }+i_{L\mathrm {3b} }}{2}}=i_{\mathrm {x} }$
Da die Überlagerung der Ströme in den beiden Wicklungshälften von T$_{3/4}$ einen Wert ungleich null ergibt, fließt auf der Ausgangsseite L$_4$ ebenfalls Strom i$_a$, und eine Spannung wird induziert.
    $i_{\mathrm {a} }=i_{\mathrm {x} }\,$
Nun wechselt die Rechteckspannung u$_y$ ihre Polarität (i$_y$ ebenfalls), dann leiten die Dioden V$_3$ und V$_4$. Nach den Rechenschritten analog der vorangegangenen Analyse ergibt sich:
    $i_{\mathrm {a} }=-\,i_{\mathrm {x} }$
Somit findet bei Rechteckspannung eine einfache Form der Multiplikation statt:
    $i_{\mathrm {a} }=\operatorname {sgn} {\left(u_{\mathrm {y} }\right)}\,i_{\mathrm {x} }$
Man unterscheidet bei Mischern grundsätzlich zwischen Aufwärts- und Abwärtsmischern. Beim Aufwärtsmischer wird am Eingang ein ZF-Signal s$_x$ zugeführt und mit dem Lokaloszillatorsignal s$_y$ multipliziert. Beim Abwärtsmischer wird am Eingang ein HF-Signal zugeführt und mit dem Lokaloszillatorsignal multipliziert.

### Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Die dargestellte Schaltung erzeugt an der Sekundärwicklung von T$_{3/4}$ ein sogenanntes Doppel-Seitenband-Signal u$_a$, das beide Seitenbänder des modulierten Trägers enthält, jedoch nicht diesen selbst. Daraus lässt sich mit Hilfe eines trennscharfen Filters ein SSB-Signal herstellen.

### Ringmodulator als Abwärtsmischer

Beim Abwärtsmischer (englisch: downconverter) wird das Eingangssignal u$_x$ mit der Frequenz f$_x$ mit Hilfe der Lokaloszillatorspannung u$_y$ mit der Frequenz f$_y$ auf die Spannung u$_a$ mit der sog. Zwischenfrequenz f$_a$ gewandelt. Hierbei gilt:
    $f_{\mathrm {a} }=\left|f_{\mathrm {x} }-f_{\mathrm {y} }\right|$
Das Ausgangssignal wird mit Hilfe eines RLC-Bandpasses am Ausgang von unerwünschten Frequenzanteilen befreit, die bei der Umwandlung entstehen.

## Anwendungen

In früheren Jahrzehnten wurden Ringmodulatoren auch gelegentlich dazu verwendet, um eine Gleichspannung in eine ihr proportionale Wechselspannung umzuwandeln, die man besser mit exakt definiertem Faktor verstärken kann, weil Wechselstromverstärker keine Nullpunktsdrift haben (siehe Chopper-Verstärker). Eine solche Anordnung kam zum Beispiel bei der Steuerung der Fernrakete V2 zum Einsatz.
Für die meisten Anwendungszwecke ist die Ringmodulatorschaltung seit langem obsolet, da man mit integrierten Schaltungen schon seit etwa 1960 hervorragende analoge Multiplizierer oder Mischer mit niedriger Verzerrung und guter Unterdrückung der Eingangssignale herstellen kann. Obwohl hier kein Diodenring und auch keine Transformatoren mehr verwendet werden, wird oft an der alten Bezeichnung festgehalten.
Ringmodulatoren sind hingegen wichtige Werkzeuge in der Elektronischen Musik. Quasi-Ringmodulatoren werden oft in elektronischen Musikinstrumenten, besonders in Synthesizern, eingesetzt. Im Gegensatz zu den anderen Anwendungen liegen dabei Träger und Signal in ähnlichem Frequenzbereich, so dass beim unteren Seitenband negative Frequenzen auftreten können. Aufgrund der nichtharmonischen Obertoncharakteristik kann man dort aus einfachen Signalen beispielsweise glockenähnliche Klänge erzeugen.
Im Amateurfunk werden heute noch Ringmodulatoren als sogenannte High-Level-Mischer mit LO-Pegeln von +7 dBm (1,41 V$_{ss}$) bis +23 dBm (8,91 V$_{ss}$) in großsignalfesten Empfängern und Transceivern eingesetzt. Bekannte Beispiele von High-Level-Mischern sind die Typen SBL-1(H), IE-500 oder TUF-1(H).
Ansonsten finden Ringmodulatoren nur noch selten Einsatz in der Funktechnik und wurden durch andere Schaltungen verdrängt. Insbesondere sei dabei die Gilbertzelle erwähnt, die einen kostengünstigeren und dennoch hochwertigen Mischer darstellt. Als direkter Nachfolger kann der passive FET-Mischer verstanden werden, der bessere Kenndaten erzielt.