МОДУЛЯТОР АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
MODULATOR OF AMPLITUDE-MODULATED SIGNALS

Предполагаемое изобретение относится к технике формирования радиосигналов и может быть использовано в радиопередающих устройствах, телекоммуникационных системах и устройствах, где требуется перемножение радиосигналов.
Известно устройство амплитудного модулятора (Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов/И.С. Гоноровский. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Дрофа, 2006. – с. 363, рис. 8.45), включающеебиполярный транзистор n-p-n-типа, два трансформатора, индуктивную катушку, переменный резистор и четыре конденсатора. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с базой транзистора. Второй вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с первым выводом вторичной обмотки второго трансформатора и первым выводом второго конденсатора. Второй вывод второго конденсатора, эмиттер транзистора и первый вывод третьего конденсатора соединены с общей шиной. Второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора соединен со средним выводом переменного резистора. Второй вывод переменного резистора соединен с общей шиной. Между общей шиной и первым выводом переменного резистора прикладывается постоянное напряжение , обеспечивающее формирование напряжения смещения  между базой и эмиттером транзистора. Это определяет положение рабочей точки транзистора на постоянном токе. К первому и второму выводам первичной обмотки второго трансформатора прикладывается модулирующий сигнал . Первые выводы первичной обмотки первого трансформатора и первого конденсатора соединены между собой. К узлу их соединения приклыдывается несущее колебание, изменяющееся по гармоническому закону с частотой . Вторые выводы первичной обмотки первого трансформатора и первого конденсатора соединены с общей шиной. Первые выводы индуктивной катушки и четвертого конденсатора соединены с коллектором транзистора. Этот узел соединения является выходом устройства. Вторые выводы индуктивной катушки и четвертого конденсатора соединены с вторым выводом третьего конденсатора и положительным выводом источника напряжения питания. Отрицательный вывод источника напряжения питания соединен с общей шиной. В этом устройстве вторичные обмотки первого и второго трансформаторов и переменный резистор включены последовательно, что позволяет приложить между базой и эмиттером транзистора, относительно напряжения смещения , сумму напряжений: , где первое слагаемое определяет несущее колебание, а второе – модулирующий сигнал.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения,
является наличие биполярного транзистора n-p-n-типа, четырех конденсаторов и индуктивной катушки.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. В этом устройстве транзистор работает с отсечкой тока, формируя импульсы тока, управляющие колебательным контуром.Это позволяетсформировать амплитудно-модулированный сигнал на выходе устройства. Проходная характеристика транзистора на начальном участке имеет явно выраженную нелинейную зависимость тока коллектора транзистора от напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером транзистора. Это приводит к сильным нелинейным искажениям импульсов тока и соответственно напряжения на выходе амплитудного модулятора.
Известно устройство амплитудного модулятора (Схема АМ-модулятора на одном транзисторе.–URL https://eax.me/am-modulator/. Дата обращения 19.06.2021). В этом амплитудном модуляторе имеются: биполярный транзистор n-p-n-типа, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первый, второй и третий конденсаторы. Второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой транзистора. Первые выводы первого и третьего резисторов соединены с положительным полюсом источника напряжения питания. Второй вывод третьего резистора и первый вывод третьего конденсатора соединены с коллектором транзистора. Первые выводы четвертого резистора и второго конденсатора соединены с эмиттером транзистора. Второй вывод третьего конденсатора соединен с первым выводом пятого резистора. Этот узел соединения является выходом амплитудного модулятора. Вторые выводы второго и пятого резисторов и второго конденсатора соединены с общей шиной. К первому выводу первого конденсатора подключен положительный полюс источника гармонического сигнала, являющегося несущим колебанием. Второй вывод четвертого резистора соединен с положительным полюсом источника модулирующего сигнала. Отрицательные полюса источника напряжения питания, источника несущего колебания и источника модулирующего сигнала соединены с общей шиной.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения
, является наличие биполярного транзистора n-p-n-типа, трех конденсаторов и пяти резисторов.
К недостаткам аналога следует отнести следующее. Модулирующий сигнал через четвертый резистор прикладывается к эмиттеру транзистора. Соответственно источник модулирующего сигнала должен обладать достаточно большой выходной мощностью, поскольку его ток будет обеспечивать формирование тока коллектора транзистора. Использование источника модулирующего сигнала большой мощности не всегда удобно и оправдано так как приводит к снижению КПД амплитудного модулятора.При приложении к управляющим электродам транзистора (база и эмиттер) двух сигналов (несущего колебания и модулирующего сигнала) обеспечивается их перемножение. Таким образом на выходе амплитудного модулятора будет формироваться продукт перемножения сигналов несущего колебания и модулирующего сигнала. В работе приводится диаграмма амплитудно-модулированного сигнала, полученного в процессе моделирования амплитудного модулятора. В соответствии с диаграммой можно видеть, что амплитудно-модулированный сигнал сильно искажен. Это можно объяснить сильной нелинейностью модуляционной характеристики амплитудного модулятора.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является амплитудный модулятор (АС СССР 678634, МПК H03С 1/38, Сургалидзе Д.К., Долидзе Т.Д., Чиковани Н.М., опубл. 05 августа 1979, БИ № 29). В этом устройстве имеются четыре транзистора n-p-n-типа, девять резисторов и два полупроводниковых диода. Первые выводы первого и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания . Второй вывод первого резистора соединен с коллектором первого транзистора. Второй вывод пятого резистора соединен с коллектором второго транзистора. Коллектора первого и второго транзисторов являются выходом устройства. Первый вывод второго резистора соединен с эмиттером первого транзистора и анодом первого диода. Первый вывод шестого резистора соединен с эмиттером второго транзистора и анодом второго диода. Вторые выводы второго и шестого резисторов соединены с коллектором третьего транзистора. Катоды первого и второго диодов соединены с коллектором четвертого транзистора. Первый вывод третьего резистора и база второго транзистора соединены с общей шиной. Второй вывод третьего резистора и первый вывод четвертого резистора соединены с базой третьего транзистора. Первые выводы девятого и восьмого резисторов соединены с базой четвертого транзистора. Эмиттеры третьего и четвертого транзисторов соединены с первым выводом седьмого резистора. Вторые выводы четвертого, седьмого и восьмого резисторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания . К базе первого транзистора относительно общей шины прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. Между вторым выводом девятого резистора и общей шиной прикладывается модулирующий сигнал.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения,
является наличие трех транзисторов n-p-n-типа и семи резисторов. Первые выводы первого и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания. Второй вывод третьего резистора и первый вывод четвертого резистора соединены с базой третьего транзистора. Первый вывод седьмого резистора соединен с эмиттером третьего транзистора.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
Прототип подходит для применения, когда модулирующий сигнал представляет собой дискретный (цифровой) сигнал. Однако,это снижает его функциональные возможности. При использовании в качестве модулирующего сигнала непрерывного сигнала в амплитудном модуляторе возникают сильные нелинейные искажения. Это происходит исходя из следующего. Во первых, когда потенциал базы четвертого транзистора выше потенциала базы третьего транзистора, основной ток в цепи протекает через четвертый транзистор, замыкаясь на первый диод и первый транзистор, либо второй диод и второй транзистор, что зависит от уровня потенциала на базе первого транзистора, в этом случае будут последовательно включены два прямосмещенных p-n-перехода, что и приведен к возникновению нелинейных искажений. Во-вторых, когда потенциал базы четвертого транзистора ниже потенциала базы третьего транзистора, основной ток в цепи будет протекать с коллектора третьего транзистора через второй резистор и первый транзистор, либо шестой резистор и второй транзистор, что определяется уровнем сигнала на базе первого транзистора, это приводит к снижению коэффициента усиления каскада, выполненного на первом и втором транзисторах, что отрицательно сказывается на линейности амплитудно-модулированного сигнала на выходе устройства. Таким образом повышенный уровень нелинейных искажений и снижение коэффициента усиления каскада, выполненного на первом и втором транзисторах приведет к высокой нелинейности модуляционной характеристики амплитудного модулятора.
Технический результат
модулятора амплитудно-модулированных сигналов состоит в том, что он имеет повышенную линейность модуляционной характеристики, что позволяет сформировать амплитудно-модулированный сигнал с низким уровнем искажений амплитудно-модулированного сигнала не зависимо от того, что используются непрерывный или дискретный (цифровой) сигналы в качестве модулирующего сигнала.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата
в известное устройство дополнительно введены: шесть конденсаторов и индуктивная катушка.
Технический результат достигается тем,
что в амплитудный модулятор, содержащий первый 8, второй 12 и третий 10 транзисторы n-p-n-типа и первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 14, шестой 15 и седьмой 11 резисторы, где первые выводы первого 3 и пятого 14 резисторов соединены с шиной 17 источника положительного напряжения питания Второй вывод третьего резистора 5 и первый вывод четвертого резистора 6 соединены с базой третьего транзистора 10. Первый вывод седьмого резистора 11 соединен с эмиттером третьего транзистора 10,введены первый 1, второй 2, третий 9, четвертый 13, пятый 16 и шестой 19 конденсаторы и индуктивная катушка 7,причем первые выводы третьего резистора5, индуктивной катушки 7, третьего конденсатора 9 и коллектор второго транзистора12 соединены с шиной 17 источника положительного напряжения питания. Второй вывод первого резистора 3,первый вывод второго резистора 4 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 8. Коллектор первого транзистора 8 соединен со вторыми выводами индуктивной катушки 7 и третьего конденсатора 9 и первым выводом пятого конденсатора 16.Второй вывод пятого конденсатора 16 является выходом устройства 18. Второй вывод второго конденсатора 2 соединен с узлом соединения базы третьего транзистора 10, второго вывода третьего резистора 5 и первого вывода четвертого резистора 6. К первому выводу 20 первого конденсатора 1 прикладывается модулирующий сигнал. К первому выводу 21 второго конденсатора 2 прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. Эмиттеры первого 8 и второго 12 транзисторов соединены с коллектором третьего транзистора 10. Второй вывод пятого резистора 14, первый вывод шестого резистора 15 и первый вывод шестого конденсатора 19 соединены с базой второго транзистора 12. Первый вывод четвертого конденсатора 13 соединен с узлом соединения эмиттера третьего транзистора 10 и первого вывода седьмого резистора 11. Вторые выводы второго 4, четвертого 6, шестого 15 и седьмого 11 резисторов, четвертого 13 и шестого 19 конденсаторов соединены с общей шиной 22.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная модулятора амплитудно-модулированных сигналов.
На фиг. 2 представлены диаграммы одной спектральной составляющей модулирующего сигнала (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал на выходе амплитудного модулятора (нижняя диаграмма).
На фиг. 3 представлены диаграммы модулирующего сигнала, включающего две спектральные составляющие, (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал на выходе амплитудного модулятора (нижняя диаграмма).
На фиг. 4 приведены последовательность прямоугольных импульсов (верхняя диаграмма) и дискретный амплитудно-модулированный сигнал, представляющий собой последовательность радиоимпульсов.
Диаграммы, представленные на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, получены путем моделирования модулятора амплитудно-модулированных сигналов (фиг. 1). Моделирование выполнено с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
Модулятор амплитудно-модулированных сигналов, содержит первый 8, второй 12 и третий 10 транзисторы n-p-n-типа и первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 14, шестой 15 и седьмой 11 резисторы, первый 1, второй 2, третий 9, четвертый 13, пятый 16 и шестой 19 конденсаторы и индуктивную катушку 7. Первые выводы первого 3, третьего 5, и пятого 14 резисторов, индуктивной катушки 7, третьего конденсатора 9 и коллектор второго транзистора12 соединены с шиной 17 источника положительного напряжения питания. Второй вывод первого резистора 3, первый вывод второго резистора 4 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 8. Коллектор первого транзистора 8 соединен со вторыми выводами индуктивной катушки 7, третьего конденсатора 9 и первым выводом пятого конденсатора 16. Второй вывод пятого конденсатора 16 является выходом устройства 18. Второй вывод третьего резистора 5, первый вывод четвертого резистора 6 и второй вывод второго конденсатора 2 соединены с базой третьего транзистора 10. К первому выводу 20 первого конденсатора 1 прикладывается модулирующий сигнал. К первому выводу 21 второго конденсатора 2 прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием. Эмиттеры первого 8 и второго 12 транзисторов соединены с коллектором третьего транзистора 10. Первые выводы седьмого резистора 11 и четвертого конденсатора 13 соединены с эмиттером третьего 10 транзистора. Второй вывод пятого резистора 14, первый вывод шестого резистора 15 и первый вывод шестого конденсатора 19 соединены с базой второго транзистора 12. Вторые выводы второго 4, четвертого 6, шестого 15 и седьмого 11 резисторов, четвертого 13 и шестого 19 конденсаторов соединены с общей шиной 22.
Работает модулятор амплитудно-модулированных сигналов следующим образом.
При модуляции в амплитудном модуляторе в качестве модулирующего сигнала может использоваться, как непрерывный, так и дискретный сигналы.
На постоянном токе распределение напряжений и токов в устройстве представляется в виде.
Первый 3 и второй 4 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе первого транзистора 8:
где  – величина напряжения питания.
Относительно этого напряжения к базе первого транзистора 8 прикладывается модулирующий сигнал.
Третий 5 и четвертый 6 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе третьего транзистора 10:
Относительно этого напряжения к базе третьего транзистора 10прикладывается гармонический сигнал несущего колебания.
Пятый 14 и шестой 15 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе второго транзистора 12:
При этом на постоянном токе выполняется условие: .
Кроме этого, выбором величин сопротивлений резисторов, обеспечивается следующее:
где  – напряжение, падающее на p-n-переходе база-эмиттер первого 8, второго 12 и третьего 10 транзисторов.
Это необходимо для исключения входа третьего транзистора 10 в режим насыщения.
Постоянный ток , протекающий в цепи эмиттера третьего транзистора 10, равен:
В исходном состоянии третий транзистор 10 будет находиться в активном режиме, что обеспечивает протекание тока коллектора  третьего транзистора 10в узел соединения эмиттеров первого 8 и второго 12 транзисторов.
На постоянном токе ток  будет делиться пополам на токи коллекторов первого  8 и второго  12 транзисторов. При этом выполняется равенство .
Соединение транзисторов, когда эмиттер первого транзистора 8 соединен с коллектором третьего транзистора 10, на переменном токе обеспечивает выполнение функции перемножения гармонического сигнала, который через второй конденсатор 2 подается на базу третьего транзистора 10, и модулирующего сигнала, который через первый конденсатор 1 подается на базу первого транзистора 8.
При приложении модулирующего сигнала к базе первого транзистора 8 по величине выше потенциала базы второго транзистора 12 ток коллектора первого транзистора 8 будет возрастать, а ток коллектора второго транзистора 12 снижаться. При приложении же модулирующего сигнала к базе первого транзистора 8 по величине ниже потенциала базы второго транзистора 12 ток коллектора первого транзистора 8 будет снижаться, а ток коллектора второго транзистора 12 возрастать. В этом случае, при наличии гармонического сигнала несущего колебания на базе третьего транзистора 10, произойдет формирование импульсов тока в коллекторной цепи первого транзистора 8, период следования которых будет соответствовать периоду изменения гармонического сигнала несущего колебания на базе третьего транзистора 10. Импульсы тока обеспечивают внесение электрической энергии в катушку индуктивности 7 и третий конденсатор 9, входящие в колебательный контур. За счет колебательного процесса в колебательном контуре будет осуществляться формирование амплитудно-модулированного сигнала на коллекторе первого транзистора 8. Соответственно на выходе 18 модулятора амплитудно-модулированных сигналов появится амплитудно-модулированный сигнал.
Шестой конденсатор 19, включенный между базой второго транзистора 12 и общей шиной 22, за счет накопления энергии в его емкости, обеспечивает поддержание потенциала базы второго транзистора 12 на постоянном уровне (снижается амплитуда пульсаций) при переключении первого 8 и второго 12 транзисторов. Это способствует более четкому формированию импульсов тока коллектора первого транзистора 8, что положительно сказывается на повышении линейности модуляционной характеристики модулятора амплитудно-модулированных сигналов. Четвертый конденсатор 13, включенный между эмиттером третьего транзистора 10 и общей шиной 22, за счет зависимости его реактивного сопротивления от частоты гармонического сигнала несущего колебания способствует росту тока в цепях коллекторов первого 8 и третьего 10 транзисторов, что способствует повышению линейности модуляционной характеристики модулятора амплитудно-модулированных сигналов.
Для примера на фиг.2 приведены тональный модулирующий сигнал (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал (нижняя диаграмма). На фиг. 3 приведены модулирующий сигнал, включающий две спектральные составляющие, (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал (нижняя диаграмма).
При формировании амплитудно-модулированных сигналов, когда в качестве модулирующего сигнала используется непрерывный сигнал, коэффициент амплитудной модуляции должен быть меньше единицы (отражено на фиг. 2 и фиг. 3). В этом случае в амплитудном модуляторе через все транзисторы протекают токи той или иной величины. Это говорит о том, что транзисторы работают в режимах близких к линейным. В этом случае уровень искажений выходного сигнала существенно снижается.
На фиг. 4 приведены диаграммы, когда в качестве модулирующего сигнала используется дискретный сигнал (верхняя диаграмма). Дискретный амплитудно-модулированный сигнал приведен на нижней диаграмме фиг. 4.
Приведенные диаграммы (фиг. 2 – фиг. 4), говорят о том, что модулятор амплитудно-модулированных сигналов может работать с непрерывным и дискретным модулирующими сигналами.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства модулятора амплитудно-модулированных сигналов.
Промышленная применимость этого устройства возможна в технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиопередающих устройствах, телекоммуникационных системах и устройствах, где требуется перемножение радиосигналов с низким уровнем искажений амплитудно-модулированного сигнала не зависимо от формы модулирующего сигнала.