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
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), которое включает 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 E, которое обеспечивает напряжение 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 E, 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 катушки индуктивности.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. В амплитудном модуляторе транзистор работает с отсечкой тока. При этом в коллекторной цепи транзистора формируются импульсы тока, управляющие колебательным контуром. Это 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, что приводит к нарушению линейности амплитудной характеристики модулятора и соответственно приводит к сильным нелинейным искажениям импульсов тока и напряжения на выходе амплитудного модулятора.
Известно устройство амплитудного модулятора (АС СССР 678634, МПК H03С 1/38, Сургуладзе 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 +E. Второй вывод первого резистора соединен с коллектором первого транзистора. Второй вывод пятого резистора соединен с коллектором второго транзистора. Коллекторы 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. Вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с базой третьего транзистора. Первые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены с базой четвертого транзистора. Эмиттеры третьего и четвертого транзисторов соединены с первым выводом девятого резистора. Вторые выводы четвертого, девятого и восьмого резисторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания –E. К базе первого транзистора относительно общей шины прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. Между вторым выводом седьмого резистора и общей шиной прикладывается модулирующий сигнал.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие четырех транзисторов n-p-n-типа и девяти резисторов. Причем эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом второго резистора, эмиттер второго транзистора соединен с первым выводом шестого резистора. Вторые выводы второго и шестого резисторов соединены между собой. Коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом пятого резистора, первый вывод пятого резистора соединен с шиной источника положительного напряжения питания. Второй вывод седьмого и первый вывод восьмого резисторов соединены с базой четвертого транзистора. Второй вывод восьмого резистора соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания.
К недостаткам аналога следует отнести следующее. Аналог подходит для применения, когда модулирующий сигнал является дискретным (цифровым) сигналом. Это снижает его функциональные возможности. При использовании в качестве модулирующего сигнала непрерывного сигнала в амплитудном модуляторе возникают сильные нелинейные искажения, что вызвано сильной нелинейностью амплитудной характеристики модулятиора. Это происходит исходя из следующего. В случае, когда потенциал базы четвертого транзистора выше потенциала базы третьего транзистора, ток в цепи протекает через девятый резистор и четвертый транзистор. Этот ток замыкается на первый диод и первый транзистор, либо второй диод и второй транзистор, что определяется уровнем потенциала на базе первого транзистора. Это приводит к тому, что последовательно будут включены два прямосмещенных p-n-перехода, что и вызывает возникновение сильных нелинейных искажений. В случае, когда потенциал базы четвертого транзистора будет ниже потенциала базы третьего транзистора, ток в цепи протекает через девятый резистор и третий транзистор, далее через второй резистор и первый транзистор, либо шестой резистор и второй транзистор, что определяется уровнем сигнала на базе первого транзистора. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада, выполненного с использованием первого и второго транзисторов, что также снижает линейность амплитудной характеристики модулятора. Следует отметить, что выходной амплитудно-модулированный сигнал будет искажаться в связи с возникновением линейных искажений. Вызвано это следующим. Модулирующий сигнал поступает на базу четвертого транзистора, проходя через седьмой резистор. Однако имеются нелинейные паразитные емкости, приведенные к базе четвертого транзистора. В этом случае сопротивление седьмого резистора, паразитные емкости транзистора, приведенные к базе транзистора, и паразитная емкость монтажа будут выполнять роль фильтра нижних частот. Наличие этого фильтра приводит к возникновению линейных искажений модулирующего сигнала и соответственно нарушает линейность амплитудной характеристики модулятора, что приводит к искажению выходного амплитудно-модулированного сигнала.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является амплитудный модулятор (Патент на полезную модель RU №192802, МПК H03C 1/00, Землянухин П.А., опубл. 01.10.2019, БИ №28). В этом устройстве имеются четыре транзистора n-p-n-типа, восемь резисторов, пять конденсаторов, катушка индуктивности и источник тока. Первые выводы первого, третьего, седьмого и пятого резисторов, катушки индуктивности, третьего конденсатора и коллекторов первого и третьего транзисторов соединены с шиной положительного источника напряжения питания. Второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой первого транзистора. Коллектор второго транзистора соединен со вторыми выводами катушки индуктивности и третьего конденсатора и является выходом устройства. Второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора и второй вывод второго конденсатора соединены с базой четвертого транзистора. К первому выводу первого конденсатора прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием. К первому выводу второго конденсатора прикладывается модулирующий сигнал. Эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с коллектором четвертого транзистора. Первый вывод источника тока соединен с эмиттерами третьего и четвертого транзисторов. Второй вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора и первый вывод четвертого конденсатора соединены с базой третьего транзистора. Второй вывод пятого резистора, первый вывод шестого резистора и первый вывод пятого конденсатора соединены с базой второго транзистора. Вторые выводы второго, четвертого, шестого и восьмого резисторов, четвертого и пятого конденсаторов и источника тока соединены с общей шиной.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие четырех транзисторов n-p-n-типа, восьми резисторов, четырех конденсаторов, катушки индуктивности и источника тока. Причем первые выводы первого, третьего и седьмого резисторов, коллекторы первого и третьего транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания. Второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой первого транзистора. Второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора и второй вывод второго конденсатора соединены с базой четвертого транзистора. Второй вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора и второй вывод четвертого конденсатора соединены между собой. Вторые выводы катушки индуктивности и третьего конденсаторы соединены между собой и с шиной выхода модулятора. К первому выводу первого конденсатора прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. К первому выводу второго конденсатора прикладывается модулирующий сигнал.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
В прототипе первый, второй транзисторы и третий, четвертый транзисторы образуют две дифференциальные пары транзисторов, когда ток, характеризующий модулирующий сигнал, с коллектора четвертого транзистора будет поступать в точку соединения эмиттеров первого и второго транзисторов. Сигнал несущего колебания, поступающий через первый конденсатор на базу первого транзистора, будет изменяться относительно опорного напряжения, формируемого резистивным делителем, выполненным с использованием пятого и шестого резисторов, на базе второго транзистора. Модулирующий сигнал, поступающий через второй конденсатор на базу четвертого транзистора, будет изменяться относительно опорного напряжения, формируемого резистивным делителем, выполненным с использованием седьмого и восьмого резисторов, на базе третьего транзистора. В этом случае, учитывая, что входная и соответственно проходная характеристики транзисторов носят явно выраженный нелинейный характер на начальном участке, при переключении дифференциальных пар транзисторов будут возникать нелинейные искажения токов, характеризующих сигналы несущего колебания и модулирующего, и соответственно тока в коллекторе второго транзистора. Все это будет приводить к снижению линейности амплитудной характеристики амплитудного модулятора.
Технический результат амплитудного модулятора состоит в том, что он позволяет обеспечить улучшенную линейность амплитудной характеристики амплитудного модулятора.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: два транзистора n-p-n-типа, три резистора и два источника тока.
Технический результат достигается тем, что в амплитудный модулятор, содержащий первый 4, второй 7, третий 14 и четвертый 10 транзисторы n-p-n-типа, первый 2, второй 3, третий 16, четвертый 17, пятый 5, шестой 8, седьмой 19 и восьмой 20 резисторы, первый 1, второй 18, третий 25 и четвертый 12 конденсаторы, катушку индуктивности 24 и источник тока 6, где первые выводы первого 2, третьего 16 и седьмого 19 резисторов, коллектора первого 4 и третьего 14 транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания 27. Второй вывод первого резистора 2, первый вывод второго резистора 3 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 4. К первому выводу первого конденсатора 1 прикладывается гармонический сигнал несущего колебания. Второй вывод третьего резистора 16, первый вывод четвертого резистора 17 и второй вывод второго конденсатора 18 соединены с базой третьего транзистора 14. Второй вывод седьмого резистора 19, первый вывод восьмого резистора 20 и второй вывод четвертого конденсатора 12 соединены между собой. Вторые выводы катушки индуктивности 24 и третьего конденсаторы 25 соединены между собой, представляя шину выходного сигнала 28 модулятора, введены пятый 21 и шестой 23 транзисторы n-p-n-типа, девятый 9, десятый 11 и одиннадцатый 15 резисторы, второй 13 и третий 22 источники тока, причем вторые выводы второго 3, четвертого 17 и восьмого 20 резисторов, первого 6, второго 13 и третьего 22 источников тока, первого вывода третьего конденсатора 25 соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания 29. Первый вывод пятого резистора 5 соединен с эмиттером первого транзистора 4, первый вывод шестого резистора 8 и эмиттер второго транзистора 7 соединены между собой, вторые выводы пятого 5 и шестого 8 резисторов соединены с первым выводом первого источника тока 6. Первый вывод десятого резистора 11 соединен с эмиттером четвертого транзистора 10, первый вывод одиннадцатого резистора 15 и эмиттер третьего транзистора 14 соединены между собой, вторые выводы десятого 11 и одиннадцатого 15 резисторов соединены с первым выводом второго источника тока 13. Коллекторы второго 7 и четвертого 10 транзисторов соединены с вторым выводом девятого резистора 9 и первым выводом четвертого конденсатора 12. Базы второго 7, четвертого 10 и шестого 23 транзисторов соединены с общей шиной 30. На первый вывод второго конденсатора 18 по шине 31 подается модулирующий сигнал. Коллекторы пятого 21 и шестого 23 транзисторов, первый вывод девятого резистора 9 соединены с шиной источника положительного напряжения питания 22. Эмиттеры пятого 21 и шестого 23 транзисторов, первый вывод третьего источника тока 22 и первый вывод катушки индуктивности 24 соединены между собой. База пятого транзистора 21 подключена к узлу соединения второго вывода седьмого резистора 19, первого вывода восьмого резистора 20 и второго вывода четвертого конденсатора 12.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема электрическая принципиальная амплитудного модулятора.
На фиг.2 представлены диаграммы модулированного сигнала (верхняя диаграмма) и напряжения в узле соединения коллекторов второго и четвертого транзисторов, второго вывода девятого резистора и первого вывода четвертого конденсатора, когда модулирующий сигнал представляет собой тональный сигнал (нижняя диаграмма).
На фиг.3 представлены диаграммы модулированного сигнала (верхняя диаграмма) и модулирующего сигнала, представляющего собой сумму двух спектральных составляющих, имеющих различные частоты и амплитуды (нижняя диаграмма).
На фиг.4 представлены диаграммы модулированного сигнала (верхняя диаграмма) и модулирующего сигнала, представляющего собой дискретный сигнал (нижняя диаграмма).
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 4, второй 7, третий 14 и четвертый 10 транзисторы n-p-n-типа, первый 2, второй 3, третий 16, четвертый 17, пятый 5, шестой 8, седьмой 19, восьмой 20, девятый 9, десятый 11 и одиннадцатый 15 резисторы, первый 1, второй 18, третий 25 и четвертый 12 конденсаторы, катушку индуктивности 24 и первый 6, второй 13, третий 22 источники тока. Первые выводы первого 2, третьего 16, седьмого 19 и девятого 9 резисторов, коллекторы первого 4, третьего 14, пятого 21 и шестого 23 транзисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания 27. Второй вывод первого резистора 2, первый вывод второго резистора 3 и второй вывод первого конденсатора 1 соединены с базой первого транзистора 4. К первому выводу первого конденсатора 1 прикладывается гармонический сигнал несущего колебания 26. Первый вывод пятого резистора 5 соединен с эмиттером первого транзистора 4. Первый вывод шестого резистора 8 соединен с эмиттером второго транзистора 7. Вторые выводы пятого 5 и шестого 8 резисторов соединены с первым выводом первого источника тока 6. Базы второго 7, четвертого 10 и шестого 23 транзисторов соединены с общей шиной 30. Коллекторы второго 7 и четвертого 10 транзисторов соединены с вторым выводом девятого резистора 9 и первым выводом четвертого конденсатора 12. Первый вывод десятого резистора 11 соединен с эмиттером четвертого транзистора 10. Первый вывод одиннадцатого резистора 15 соединен с эмиттером третьего транзистора 14. Вторые выводы десятого 11 и одиннадцатого 15 резисторов соединены с первым выводом второго источника тока 13. Второй вывод третьего резистора 16 и первый вывод четвертого резистора 17 соединены с базой третьего 14 транзистора и вторым выводом второго конденсатора 18. К первому выводу второго конденсатора 18, соединенного с шиной 31, прикладывается модулирующий сигнал. Второй вывод седьмого резистора 19 и первый вывод восьмого резистора 20 соединены с базой пятого транзистора 21 и вторым выводом четвертого конденсатора 12. Эмиттеры пятого 21 и шестого 23 транзисторов соединены с первым выводом третьего источника тока 22 и первым выводом катушки индуктивности 24. Второй вывод катушки индуктивности 24 и второй вывод третьего конденсатора 25 соединены между собой. Этот узел соединения является выходом 28 амплитудного модулятора. Вторые выводы второго 3, четвертого 17 и восьмого 20 резисторов, вторые выводы первого 6, второго 13 и третьего 22 источников тока и первый вывод третьего конденсатора 25 соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания 29.
Работает амплитудный модулятор следующим образом.
На постоянном токе напряжение на базах второго 7, четвертого 10 и шестого 23 транзисторов равно нулю вольт. Делители напряжения, выполненные с использованием первого 2 и второго 3 резисторов, третьего 16 и четвертого 17 резисторов, седьмого 19 и восьмого 20 резисторов, на постоянном токе так же на базах первого 4, третьего 14 и пятого 21 транзисторов поддерживают напряжение близкое к нулю вольт. В этом случае токи первого 6, второго 13 и третьего 22 источников тока распределяются поровну между первым 4 и вторым 7 транзисторами, четвертым 10 и третьим 14 транзисторами, пятым 21 и шестым 23 транзисторами. На сопротивлении девятого резистора 9 падает постоянное напряжение, определяющее напряжение в рабочей точке между коллектором и эмиттером второго 7 и четвертого 10 транзисторов. Сигнал на выходе 28 амплитудного модулятора отсутствует.
На переменном токе через первый конденсатор 1 на базу первого транзистора 4 подается несущее колебание, являющееся гармоническим сигналом. В этом случае в коллекторной цепи второго транзистора 7 начнет протекать ток, изменяющийся по гармоническому закону. При приложении к первому выводу второго конденсатора 18 модулирующего сигнала этот сигнал будет прикладываться к базе третьего транзистора 14. В результате этого в коллекторной цепи третьего транзистора 14 начнет протекать ток, отражающий изменения модулирующего сигнала. В узле соединения коллекторов второго 7 и четвертого 10 транзисторов, второго вывода девятого резистора 9 будет формироваться сигнал, представляющий собой произведение гармонического сигнала, являющегося несущим колебанием, и модулирующего сигнала (фиг.2, нижняя диаграмма). Произведение сигналов через четвертый конденсатор 12 подается на базу пятого транзистора 21. Пятый 21 и шестой 23 транзисторы включены таким образом, что в эмиттерной цепи этих транзисторов будут формироваться импульсы напряжения, следующие с частотой несущего колебания, а амплитуды импульсов будут определяться изменениями модулирующего сигнала. Сформированные импульсы напряжения прикладываются к последовательному колебательному контуру, включающему последовательно соединенные катушку индуктивности 24 и третий конденсатор 25. На выходе 28 амплитудного модулятора появится амплитудно-модулированный сигнал. Для примера на фиг.2 (верхняя диаграмма) приведен амплитудно-модулированный сигнал при тональной модуляции, а на фиг.3 (верхняя диаграмма) приведен амплитудно-модулированный сигнал, когда модулирующий сигнал включает две спектральные составляющие с разными частотами и амплитудами (фиг.3, нижняя диаграмма). На фиг.4 приведены амплитудно-модулированный (амплитудно-манипулированный) сигнал (верхняя диаграмма) и модулирующий сигнал, представляющий собой последовательность разнополярных импульсов.
В амплитудном модуляторе имеются пятый 5, шестой 8, десятый 11 и одиннадцатый 15 резисторы, каждый из которых последовательно соединен с эмиттерами первого 4, второго 7, четвертого 10 и третьего 14 транзисторов, соответственно. Это позволяет повысить линейность проходной характеристики транзисторов, что обеспечивает улучшение линейности амплитудной характеристики амплитудного модулятора.
Можно видеть, что при формировании амплитудно-модулированных сигналов в качестве модулирующего сигнала может использоваться как непрерывный сигнал, там и дискретный сигнал, при этом амплитудный модулятор имеет улучшенную линейность амплитудной характеристики.
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.