Амплитудная модуляция в передатчиках

Передатчики с AM применяют для телефонной связи, радиовещания, передачи телевизионных изображений. Приведем основные соотношения, характеризующие работу генератора с амплитудной модуляцией.

В случае отсутствия модуляции, т.е. при коэффициенте модуляции m=0, режим передатчика называется режимом несущей частоты или молчания. Еще называется этот режим - телефонный. Мощность, отдаваемая генератором в этом режиме

.

В тот момент времени, когда амплитуда модулированных колебаний приобретает максимальное значение, генератор развивает пиковую или максимальную мощность

.

Аналогично средняя мощность при модуляции, т.е. при m>0

,

где m_cp=0,3‑0,4 – среднестатистический коэффициент модуляции.

Средняя мощность при AM зависит от m_cp, т.е. от пикфактора сигнала П_ф, который характеризует отношение максимального значения сигнала к эффективному. Что касается соотношений для подводимой мощности и рассеиваемой мощности на коллекторе транзистора, то они различны для базовой и коллекторной модуляции. Эти соотношения будут далее рассмотрены.

Исходной мощностью при проектировании каскадов передатчиков с AM является P_1н. Однако транзистор модулируемого каскада должен развивать в нагрузке в пике модуляции мощность Р_1мах. Это очень важно, так как в радиовещательных передатчиках среднеквадратические значения коэффициента модуляции малы - порядка 0,3-0,4. Значение m_cp зависит от величины пикфактора П_ф, т.е. .

Передатчики с AM проектируются исходя из максимального (заданного) значения m_max. Иными словами, при проектировании AM каскадов надо исходить из пиковой мощности

.

При расчетах токов и напряжений полагают, что статическая модуляционная характеристика (СМХ) линейна, т.е.

. . .

Важной задачей проектирования модулированных каскадов является достижение высоких энергетических показателей при заданных качественных показателях. Нелинейные искажения в модулируемом генераторе определяются в основном нелинейностью модуляционной характеристики. Нелинейные искажения также возникают в модуляторе. Частотные искажения возникают как в модуляторе, так и в модулируемых каскадах передатчика. В задании на курсовой проект обычно задается полоса частот модуляции.

Коллекторная модуляция

Коллекторная модуляция применяется в перенапряженном режиме. Этот вид модуляции обладает высокой энергетической эффективностью, как и анодная модуляция, к.п.д. при этом практически постоянный. Модулирующее напряжение включают последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора , определяющего режим молчания

,

где – коэффициент модуляции.

Для лучшего использования транзистора рекомендуют максимальный режим совмещать с критическим, а режим несущей (молчания) – с серединой линейного участка СМХ (рисунок 6.14).

Рисунок 6.14

При расчете каскада с коллекторной модуляцией исходными являются мощность в антенне Р_Ан в режиме несущей, коэффициент модуляции m, рабочая частота передатчика f, требуемая полоса частот модуляции.

При выборе типа транзистора целесообразно выбрать наиболее дешевый, на котором можно построить требуемый каскад. Поскольку стоимость транзистора резко увеличивается с ростом его максимальной рабочей частоты и номинальной мощности, стремятся выбирать транзистор без значительного запаса по мощности и частоте, т.е. запас не более 20‑30%.

Для транзистора из соображений надежности опасны даже кратковременные (в отличие от ламп) превышения мгновенных значений напряжения U_кэ и тока I_к по сравнению с максимально допустимыми значениями. Поэтому номинальная мощность транзистора должна соответствовать мощности в максимальном режиме. Остальные соображения по выбору транзистора такие же, как при отсутствии модуляции (раздел 6.2).

Порядок расчета. Расчет каскада с коллекторной модуляцией начинают с режима максимальной мощности. Его выполняют как обычный расчет усилителя мощности в критическом режиме на заданную мощность. Тогда мощность, требуемая от транзистора с коллекторной модуляцией

,

где К_п3=1,2 - коэффициент производственного запаса;

P_Ан- заданная мощность в антенне в режиме несущей;

m - коэффициент модуляции;

, – к.п.д. контура и фидера соответственно. На первом этапе расчета можно задаться

; .

Напряжение коллекторной цепи при коллекторной модуляции выбирается с учетом режима максимальной мощности, когда

.

Угол отсечки коллекторного тока на высокой частоте при коллекторной модуляции выбирают в пределах Уменьшение угла отсечки приводит к снижению коэффициента усиления каскада по мощности К_р. Кроме того, ухудшается режим входной цепи – требуется большее напряжение возбуждения .

В результате расчета режима максимальной мощности будут определены , , , , R_oe, U_mб, I_б1, Р_возб, К_р.

Режим молчания. Благодаря высокой линейности СМХ, которая легко строится по двум точкам и , при коллекторной модуляции режим молчания пересчитывается из режима максимальной мощности:

1) ток коллектора первой гармоники

;

2) постоянная составляющая тока коллектора

;

3) напряжение на коллекторе

;

4) мощность, потребляемая генератором

;

5) мощность первой гармоники

;

6) мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

;

7) средняя мощность за период модуляции

,

8) средняя мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора при модуляции

;

9) средний к.п.д. за период модуляции

,

10) мощность модулятора

.

При , . Из последнего выражения видим, что мощность модулятора при коллекторной модуляции соизмерима с мощностью, потребляемой высокочастотной ступенью. Необходимость иметь мощный модулятор - существенный недостаток коллекторной модуляции. Мощные модуляторы (при Вт) рекомендуется выполнять по двухтактной схеме. Это снижает нелинейные искажения передатчика в целом.

Комбинированная модуляция

Недостаток чисто коллекторной модуляции состоит в том, что транзистор работает в перенапряженном режиме, который отличается малым коэффициентом усиления по мощности К_р и наличием паразитной фазовой и амплитудной модуляции. Для уменьшения этого недостатка применяют дополнительную коллекторную модуляцию в предвыходном каскаде передатчика. Тогда выходной каскад работает в режиме усиления модулированных колебаний при одновременной коллекторной модуляции. Линейность СМХ еще более повышается.

Энергетические показатели при комбинированной модуляции такие же, как при коллекторной. Поэтому для нее справедливы все рекомендации по выбору транзистора и расчету его режима, как при чисто коллекторной модуляции.

Коэффициент модуляции предвыходной ступени выбирают несколько меньше и рекомендуется брать его не больше 0,7‑0,8.

Мощность модулятора при этом равна

,

где m_l, m₂ – соответственно коэффициенты модуляции предварительной и выходной ступеней, , – мощности потребления по коллекторным цепям предвыходного и выходного каскадов в режиме молчания.

Кроме двойной, можно осуществить и тройную коллекторную модуляцию.

Базовая модуляция

При базовой модуляции в такт с модулирующим сигналом изменяется напряжение смещения на базе, а амплитуда напряжения возбуждения и напряжение коллекторного питания остаются постоянными.

В соответствии со сказанным напряжение смещения на базе будет меняться по закону

,

где S(t) – модулирующий сигнал; E_бн– напряжение смещения в несущем режиме, т.е. в отсутствии S(t).

В простейшем случае, когда модулирующий сигнал является гармоническим, напряжение смещения можно записать , а полное напряжение на базе с учетом напряжения возбуждения . Из рисунка 6.15 видим, что при изменении напряжения смещения, т.е. при изменении положения рабочей точки, происходит одновременное изменение высоты импульса коллекторного тока и его угла отсечки, что приводит к эффективному изменению амплитуды первой гармоники коллекторного тока, в чем и заключается эффект модуляции высокочастотного сигнала.

Рисунок 6.15

Следует помнить, что эффект модуляции имеет место лишь при работе с отсечкой коллекторного тока, в случае же работы без отсечки коллекторного тока, т.е. в линейном режиме, амплитуда первой гармоники коллекторного тока меняться не будет, и только постоянная составляющая коллекторного тока будет меняться по закону модулирующего сигнала.

Отметим также, что при базовой модуляции недопустим заход в перенапряженный режим, так как в этом режиме первая гармоника коллекторного тока слабо зависит от величины напряжения смещения и характер этой зависимости сугубо нелинейный.

Поэтому в дальнейшем будем иметь в виду, что модуляция осуществляется при работе с отсечкой коллекторного тока в области недонапряженного режима. С другой стороны известно, что недонапряженный режим обладает рядом недостатков, из которых главный – низкое использование коллекторного питания, и, как следствие, низкий к.п.д. коллекторной цепи. Поэтому стремятся сделать режим по возможности близким к критическому. Фактически максимальный режим при базовой модуляции делают критическим.

Методика расчета генератора с базовой модуляцией.

Расчет каскада начинают с максимального режима, принимая напряженность режима критической. Мощность, которую должен отдать транзистор в максимальном режиме, определяют по формуле

,

где P_Ан – мощность по первой гармонике, требуемая от транзистора в несущем режиме на входе антенны.

Транзистор при базовой модуляции нужно выбирать с номинальной мощностью не меньшей, чем рассчитанная мощность для максимального режима.

Известно, что при базовой модуляции статическая модуляционная характеристика имеет три участка: нижний нелинейный участок при углах отсечки от 0 до 30°, средний линейный, и верхний нелинейный участок при углах отсечки более 120°. Для полного использования линейного участка СМХ и получения при этом максимально возможной глубины неискаженной модуляции, угол отсечки в максимальном режиме нужно выбирать в районе 110‑120°, т.е. на верхнем краю участка.

С учетом сказанного, а также исходя из общих положений теории генераторов с внешним возбуждением, выбирается конкретный тип транзистора и производится энергетический расчет генератора на максимальную мощность по методике, изложенной в разделе 6.2.

В результате расчета определяются токи, напряжения, мощности, к.п.д, сопротивление нагрузки и т.д.

В частности, становятся известными величины , , , , , которые необходимы для построения статической модуляционной характеристики.

При базовой модуляции СМХ есть зависимость при . Одновременно представляют интерес и зависимости , . Рассмотрим, как получить эти зависимости.

Для грубой оценки положения СМХ можно принять ее линейной и построить по двум точкам: точке максимального режима , и точке запирания каскада , . Напряжение запирания при этом определяется по формуле

,

где – напряжение отсечки транзистора; – напряжение возбуждения, рассчитанное в максимальном режиме и остающееся постоянным в процессе модуляции.

Упрощенная СМХ будет выглядеть как представлено на рисунке 6.16.

Рисунок 6.16

Такая СМХ позволяет приближенно оценить многие параметры режима модуляции, но не отражает искажений, возникающих при базовой модуляции.

Более реальную СМХ можно рассчитать, воспользовавшись известной формулой , где – крутизна транзистора;

.

Формула эта справедлива при работе транзистора на низких частотах, но она фактически употребляется и при работе на средних и высоких частотах, только в ней необходимо подставлять эффективную крутизну транзистора на рабочей частоте и использовать для определения высокочастотный угол отсечки .

Воспользовавшись известными из расчета максимального режима величинами , , , определяем эффективную крутизну транзистора

.

Одновременно зная и определяем низкочастотный угол отсечки в максимальном режиме.

.

Учитывая, что низкочастотный и высокочастотный углы отсечки связаны почти линейно [19], построим график зависимости в виде прямой на рисунке 6.17 для нашего случая.

Рисунок 6.17

Далее задаем разные значения и для каждого их этих значений определяем по формуле

.

Затем по таблицам определяем , а воспользовавшись графиком (рисунок 6.17) определяем . По низкочастотному углу отсечки определяем соответствующее напряжение смещения

.

Таким образом, каждому заданному поставим в соответствие некоторое смещение , т. е. получим СМХ. Для удобства расчеты можно вести в виде табл. 6.3.

Таблица 6.3

Порядок расчета СМХ

							Примечание
							Максимальный режим

Одновременно рассчитываются величины:

, .

По результатам расчета строим реальную СМХ (рисунок 6.18).

Рисунок 6.18

В реальной статической модуляционной характеристике верхняя точка соответствует максимальному режиму.

Вычисляем первую гармонику тока коллектора для несущего режима и откладываем это значение на графике (рисунок 6.18). Проекция этой точки на ось Е_б определяет напряжение смещения в несущем режиме Е_бн.

Теперь определяется амплитуда необходимого модулирующего напряжения на базе транзистора . Если отрезок равен , то получим смещение, соответствующее минимальному режиму , и по этой точке определяем . По соотношению величин , , можно оценить искажения при модуляции. Если , т.е. модуляция вверх и вниз идет симметрично - искажения отсутствуют. В противном случае можно вычислить глубину модуляции вверх и вниз соответственно

, ,

относительная разность которых определяет величину искажений при модуляции

.

Требуемую мощность модулятора оцениваем по формуле

,

где .

Остается еще сделать ряд замечаний, касающихся особенностей базовой модуляции. Отметим, что для максимального режима должна быть сделана проверка на выполнение неравенств

,

.

Несущий режим является самым тяжелым для транзистора с точки зрения рассеиваемой на нем мощности. Поэтому необходима проверка

,

где , .

В минимальном режиме проводится проверка цепи базы на максимальное обратное напряжение

.