АМПЛИТУДНЫЙ МОДУЛЯТОР

Предполагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиопередающих устройствах, телекоммуникационных системах и устройствах, где требуется перемножение радиосигналов.
б0
см
0
см
0
Ω
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), включающее биполярный 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 Е, которое обеспечивает приложение напряжения смещения E между базой и эмиттером транзистора, что определяет положение рабочей точки транзистора на постоянном токе. К первому и второму выводам первичной обмотки второго трансформатора прикладывается модулирующий сигнал s(t). 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 ω. 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 Е, сумму напряжений: Ecos(ωt)+e(t), 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 и четырех конденсаторов.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. В этом устройстве транзистор работает с отсечкой тока, формируя импульсы тока, управляющие колебательным контуром, что обеспечивает формирование амплитудно-модулированного сигнала 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.
AM
Известно устройство амплитудного модулятора (Формирование модулированных сигналов, рис. 23. - URL: http://conture.by/post/443. Дата обращения 01.04.2019). В этом амплитудном модуляторе имеются: биполярный транзистор p-n-p-типа, первый, второй и третий резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы и индуктивная катушка. Второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой транзистора. Первые выводы первого резистора, второго конденсатора и индуктивной катушки соединены с отрицательным полюсом источника напряжения питания. Вторые выводы второго конденсатора, индуктивной катушки и первый вывод третьего конденсатора соединены с коллектором транзистора. Первые выводы третьего резистора и четвертого конденсатора соединены с эмиттером транзистора. Вторые выводы второго резистора, третьего резистора и положительный вывод источника напряжения питания соединены с общей шиной. К первому выводу первого конденсатора прикладывается гармонический сигнал s(t), выполняющий роль несущего колебания. К второму выводу четвертого конденсатора прикладывается модулирующий сигнал u(t). С второго вывода третьего конденсатора снимается выходной амплитудно-модулированный сигнал s(t).
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора, четырех конденсаторов, индуктивной катушки и трех резисторов.
К недостаткам аналога следует отнести следующее. Модулирующий сигнал u(t) прикладывается к эмиттеру транзистора. Соответственно источник модулирующего сигнала должен обладать достаточно большой выходной мощностью, поскольку его ток будет обеспечивать формирование импульсов тока коллектора транзистора. Использование источника модулирующего сигнала большой мощности не всегда удобно и оправдано так как приводит к снижению КПД устройства. Кроме этого в устройстве транзистор работает с отсечкой тока, обеспечивая формирование импульсов тока, управляющих колебательным контуром, что обеспечивает формирование амплитудно-модулированного сигнала на выходе устройства. Так как проходная характеристика транзистора на начальном участке имеет сильную нелинейную зависимость тока коллектора транзистора от напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером транзистора, то это приведет к большим нелинейным искажениям импульсов тока и соответственно напряжения на выходе амплитудного модулятора.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является амплитудный модулятор (АС СССР 678634, МПК Н03С 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 4 и пятого 5 резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания +Е. Второй вывод первого резистора 4 соединен с коллектором первого транзистора 2. Второй вывод пятого резистора 5 соединен с коллектором второго транзистора 3. Коллектора первого 2 и второго 3 транзисторов являются выходом устройства. Первый вывод второго резистора 6 соединен с эмиттером первого транзистора 2 и анодом первого диода 8. Первый вывод шестого резистора 7 соединен с эмиттером второго транзистора 3 и анодом второго диода 9. Вторые выводы второго 6 и шестого 7 резисторов соединены с коллектором третьего транзистора 12. Катоды первого 8 и второго 9 диодов соединены с коллектором четвертого транзистора 13. Первый вывод третьего резистора 14 и база второго транзистора 3 соединены с общей шиной. Вторые выводы третьего 14 и четвертого 16 резисторов соединены с базой третьего транзистора 12. Первые выводы седьмого 15 и восьмого 17 резисторов соединены с базой четвертого транзистора 13. Эмиттеры третьего 12 и четвертого 13 транзисторов соединены с первым выводом девятого резистора 18. Вторые выводы четвертого 16, девятого 18 и восьмого 17 резисторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания -Е. К базе первого транзистора 2 относительно общей шины прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. Между вторым выводом седьмого резистора 15 и общей шиной прикладывается модулирующий сигнал.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие четырех транзисторов n-p-n-типа и восьми резисторов. Причем эмиттеры третьего и четвертого транзисторов соединены между собой, второй вывод третьего резистора и первый вывод четвертого резистора соединены с базой третьего транзистора, второй вывод седьмого резистора и первый вывод восьмого резисторов соединены с базой четвертого транзистора.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
Прототип подходит для применения, когда модулирующий сигнал представляет собой дискретный (цифровой) сигнал, что 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. Кроме этого выходной амплитудно-модулированный сигнал будет искажаться за счет возникновения линейных искажений. Модулирующий сигнал, проходя через седьмой резистор, прикладывается к базе четвертого транзистора. В этом случае сопротивление четвертого резистора и паразитные емкости транзистора, приведенные к базе транзистора, и паразитная емкость монтажа будут представлять собой фильтр нижних частот, который будет приводить к возникновению линейных искажений модулирующего сигнала и соответственно выходного амплитудно-модулированного сигнала.
Технический результат амплитудного модулятора состоит в том, что он позволяет сформировать амплитудно-модулированный сигнал с низким уровнем искажений.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: пять конденсаторов, индуктивная катушка и источник тока.
Технический результат достигается тем, что в амплитудный модулятор, содержащий первый 7, второй 10, третий 8 и четвертый 13 транзисторы n-p-n-типа и первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 17, шестой 18, седьмой 14 и восьмой 15 резисторы, где эмиттеры третьего 8 и четвертого 13 транзисторов соединены между собой, второй вывод третьего резистора 5 и первый вывод четвертого резистора 6 соединены с базой третьего транзистора 8, второй вывод седьмого резистора 14 и первый вывод восьмого резистора 15 соединены с базой четвертого транзистора 13, введены первый 1, второй 2, третий 12, четвертый 16 и пятый 19 конденсаторы, индуктивная катушка 9 и источник тока 11, причем первые выводы первого 3, третьего 5, седьмого 14 и пятого 17 резисторов, индуктивной катушки 9, третьего конденсатора 12 и коллектора первого 7 и четвертого 13 транзисторов соединены с шиной 22 положительного источника напряжения питания. Второй вывод первого резистора 3, первый вывод второго резистора 4 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 7. Коллектор второго транзистора 10 соединен со вторыми выводами индуктивной катушки 9 и третьего конденсатора 12 и является выходом устройства 23. Второй вывод второго конденсатора 2 также соединен с узлом соединения базы третьего транзистора 8, второго вывода третьего резистора 5 и первого вывода четвертого резистора 6. К первому выводу 20 первого конденсатора 1 прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием. К первому выводу 21 второго конденсатора 2 прикладывается модулирующий сигнал. Эмиттеры первого 7 и второго 10 транзисторов соединены с коллектором третьего транзистора 8. Первый вывод источника тока 11 соединен с узлом соединения эмиттеров третьего 8 и четвертого 13 транзисторов. Первый вывод четвертого конденсатора 16 соединен с узлом соединения базы четвертого транзистора 13, второго вывода седьмого резистора 14 и первого вывода восьмого резистора 15. Второй вывод пятого резистора 17, первый вывод шестого резистора 18 и первый вывод пятого конденсатора 19 соединены с базой второго транзистора 10. Вторые выводы второго 4, четвертого 6, шестого 18 и восьмого 15 резисторов, четвертого 16 и пятого 19 конденсаторов и источника тока 11 соединены с общей шиной 24.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная амплитудного модулятора.
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 моделированием амплитудного модулятора (фиг. 1). Моделирование выполнено с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
Амплитудный модулятор, содержит первый 7, второй 10, третий 8 и четвертый 13 транзисторы n-p-n-типа и первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 17, шестой 18, седьмой 14 и восьмой 15 резисторы, первый 1, второй 2, третий 12, четвертый 16 и пятый 19 конденсаторы, индуктивную катушку 9 и источник тока 11. Первые выводы первого 3, третьего 5, седьмого 14 и пятого 17 резисторов, индуктивной катушки 9, третьего конденсатора 12 и коллектора первого 7 и четвертого 13 транзисторов соединены с шиной 22 положительного источника напряжения питания. Второй вывод первого резистора 3, первый вывод второго резистора 4 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 7. Коллектор второго транзистора 10 соединен со вторыми выводами индуктивной катушки 9 и третьего конденсатора 12 и является выходом устройства 23. Второй вывод третьего резистора 5, первый вывод четвертого резистора 6 и второй вывод второго конденсатора 2 соединены с базой третьего транзистора 8. К первому выводу 20 первого конденсатора 1 прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием. К первому выводу 21 второго конденсатора 2 прикладывается модулирующий сигнал. Эмиттеры первого 7 и второго 10 транзисторов соединены с коллектором третьего транзистора 8. Первый вывод источника тока 11 соединен эмиттерами третьего 8 и четвертого 13 транзисторов. Второй вывод седьмого резистора 14, первый вывод восьмого резистора 15 и первый вывод четвертого конденсатора 16 соединены с базой четвертого транзистора 13. Второй вывод пятого резистора 17, первый вывод шестого резистора 18 и первый вывод пятого конденсатора 19 соединены с базой второго транзистора 10. Вторые выводы второго 4, четвертого 6, шестого 18 и восьмого 15 резисторов, четвертого 16 и пятого 19 конденсаторов и источника тока 11 соединены с общей шиной 24.
Работает амплитудный модулятор 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 имеет следующий вид.
Первый 3 и второй 4 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе первого транзистора 7, относительно которого подается гармонический сигнал несущего колебания:
п
где Е - величина напряжения питания.
Третий 5 и четвертый 6 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе третьего транзистора 8, относительно которого подается модулирующий сигнал:
Пятый 17 и шестой 18 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе второго транзистора 10:
Седьмой 14 и восьмой 15 резисторы образуют резистивный делитель, который определяет уровень постоянного напряжения на базе четвертого транзистора 13:
При этом на постоянном токе выполняются условия:
01
02
0З
04
U=U; U=U.
Кроме этого, выбором величин сопротивлений резисторов, обеспечивается следующее:
01
03
02
04
U>U; U>U,
что необходимо, чтобы третий 8 транзистор не входил в режим насыщения.
0
2
0
к0З
к04
кЗ
к04
Постоянный ток I, формируемый источником тока 11, подается в узел соединения эмиттеров третьего 8 и четвертого 13 транзисторов и первого вывода источника тока 11. В исходном состоянии, когда амплитуда Δu модулирующего сигнала равна нулю, ток I делится пополам на токи коллекторов третьего I 8 и четвертого I 13 транзисторов, при этом I=I.
1
к0З
к01
к02
к01
к02
При равенстве нулю амплитуды Δu гармонического сигнала, прикладываемого через первый конденсатор 1 к базе первого транзистора, ток Iделится пополам на токи коллекторов первого I 7 и второго I 10 транзисторов, при этом I=I.
Соединение транзисторов, когда эмиттер первого транзистора 7 соединен с коллектором третьего транзистора 8, на переменном токе обеспечивает выполнение функции перемножения гармонического сигнала, который через первый конденсатор 1 подается на базу первого транзистора 7, и модулирующего сигнала, который через второй конденсатор 2 подается на базу третьего транзистора 8.
2
0З
к0З
к04
2
0З
к0З
к04
При увеличении амплитуды Δu модулирующего сигнала выше уровня напряжения U ток коллектора I третьего транзистора 8 возрастает, а ток коллектора I четвертого транзистора 13 уменьшается. При уменьшении амплитуды Δu модулирующего сигнала ниже уровня напряжения U ток коллектора I третьего транзистора 8 уменьшается, а ток коллектора Iчетвертого транзистора 13 возрастает.
1
01
к01
к02
1
01
к01
к02
При увеличении амплитуды Δu гармонического сигнала выше уровня напряжения U ток коллектора I первого транзистора 7 возрастает, а ток коллектора I второго транзистора 10 уменьшается. При уменьшении амплитуды Δu гармонического сигнала ниже уровня напряжения U ток коллектора Iпервого транзистора 7 уменьшается, а ток коллектора I второго транзистора 13 возрастает.
Таким образом, за счет воздействия на входы амплитудного модулятора гармонического сигнала и модулирующего сигнала, в коллекторной цепи второго транзистора 10 происходит изменение тока, инверсное к изменению тока в коллекторной цепи первого транзистора 7. Этот ток воздействует на колебательный контур, включающий индуктивную катушку 9 и третий конденсатор 12. Этот колебательный контур из продукта перемножения гармонического сигнала и модулирующего сигнала выделяет спектральные составляющие модулированного сигнала. В результате этого на выходе 23 устройства появляется амплитудно-модулированный сигнал. 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 амплитудный модулятор может работать с непрерывным и дискретным модулирующими сигналами.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства амплитудного модулятора.
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.