Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Кафедра «Техника радиосвязи и телевидения»

Коллекторная модуляция

Методические указания к лабораторной работе по курсам «Устройства генерирования и формирования сигналов» для студентов специальности 210302 и «Радиопередающие устройства» для студентов специальности 210405 всех форм обучения

Нижний Новгород,

2010

Составители: Ю.Г. Белов, П.Ю. Тонких

УДК 621.396.61

Коллекторная модуляция: метод. указания к лабораторной работе по курсам «Устройства генерирования и формирования сигналов» для студентов специальности 210302 и «Радиопередающие устройства» для студентов спец.210405 всех форм обучения / НГТУ; сост.: Ю.Г. Белов, П.Ю. Тонких, Н.Новгород, 2010 – 20 с.

Дано описание основ теории транзисторного генератора с внешним возбуждением при коллекторной модуляции. Изложен порядок экспериментального исследования режимов его работы и энергетических показателей.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать . Формат 60 х 84 ¹/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд.л. 1. Тираж 200 экз. Заказ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ, 603950, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2010

1. Цель работы: Изучить свойства коллекторной амплитудной модуляции (АМ) в транзисторных генераторах с внешним возбуждением. Ознакомиться с одной из схем генератора с коллекторной АМ, исследовать его модуляционные характеристики.

2. Краткие сведения об амплитудной модуляции в транзисторных генераторах

2.1. Введение

Передача информации связана с управлением каким-либо параметром электромагнитного колебания (амплитудой, фазой, поляризацией и т.д.). АМ− один из способов управления высокочастотными (ВЧ) колебаниями, при котором по закону модулирующего сигнала изменяется их амплитуда. Это достигается за счет использования в модулируемом каскаде нелинейных или параметрических элементов.

Реальные модулирующие сигналы − это случайные процессы, спектральная плотность которых S(Ω) практически сосредоточена в ограниченной полосе частот Ω_min … Ω_mах. Однако при настройке и испытаниях передатчиков, как правило, используется модуляция одной частотой (чистым тоном) Ω=2πF. В этом случае выражение для модулированного ВЧ тока имеет вид

i = (I_мол + I_ΩcosΩt)cosωt = I_мол(1 + m ∙ cosΩt)cosωt, (1)

где I_мол – амплитуда тока в режиме молчания (несущей частоты); I_Ω – амплитуда огибающей ВЧ-колебаний; m=I_Ω/I_мол – коэффициент глубины АМ; Ω – угловая частота модуляции; ω − угловая частота ВЧ колебания (несущей).

Временная диаграмма AM-колебания до включения модуляции (m=0) и после показана на рис.1, соответствующий спектральный состав – на рис.2. Спектр колебаний при АМ является, как нетрудно получить из (1), суммой составляющих с тремя чacтoтами:

i = I_мол cosωt + I_мол cos(ω + Ω)t + I_мол cos(ω - Ω)t . (2)

При АМ различают следующие режимы генератора: молчания, максимальный, минимальный (рис.1), а также средний. Если АМ осуществляется в транзисторном генераторе, то по закону (1) изменяется первая гармоника коллекторного тока I_к1. Её значения и значения колебательной мощности генератора в первых трех режимах:

− в режиме молчания ( т = 0) I_к1 =I_{к1 мол} ;

3

(3,а)

( R_э - эквивалентное сопротивление контура в коллекторной цепи транзистора);

− в максимальном (пиковом) режиме I_{к1 max} = I_{к1 мол} (1+m);

;

(при m=1 P_{1 max} = 4P_{1 мол} ); (3,б)

− в минимальном режиме I_к1min = I_{к1 мол} (1 - m);

; (3,в)

(при m=1 P_{1 min} = 0).

В процессе модуляции колебательная мощность генератора изменяется по закону. Средний режим – это режим модуляции. Он характеризуется средней мощностью АМ колебаний за период модулирующей частоты:

(4)

При m = 1 P_{1 ср} = 1,5P_{1 мол}. Сопоставляя выражения (4) и (2), нетрудно видеть, что среднее значение мощности равно сумме мощностей колебаний несущей частоты и боковых частот (рис. 2). При модуляции сигналом сложной формы (например речевым), спектр АМ колебания вместо боковых частот, содержит две боковые полосы. Средняя мощность генератора в этом случае равна [1]

(5)

где m_ср − среднее значение коэффициента модуляции за длительное время. Слагаемое 0,5m²_ср P_1мол характеризует мощность, приходящуюся на боковые

4

полосы P_1бп. При передаче речи m_ср=0,32…0,4. Мощность P_1бп оказывается малой по сравнению с мощностью в режиме молчания: P_1бп ≈ ( 0,05...0,1) P_{1 мол}, хотя именно в боковых полосах содержится информация о передаваемом сообщении. Несмотря на это, используемый в модулируемом каскаде транзистор или лампа должны обеспечивать мощность P_1max. Выражения (3)−(5) показывают, что номинальная мощность ламп или транзисторов при AM используется неэффективно. С целью повышения среднего уровня коэффициента модуляции m_ср, а значит, и повышения мощности боковых полос и КПД в связных передатчиках применяют клиппирование − срезание пиков звукового сигнала в тракте модулятора.

Амплитуда тока I_к1 зависит от следующих параметров: E_б, U_mб, E_к, R_э. Поэтому амплитудную модуляцию можно осуществить, изменяя напряжение на электродах транзистора или сопротивление нагрузки R_э. В зависимости от электрода, на который подается модулирующее напряжение, различают следующие способы АМ: модуляция смещением на эмиттерном переходе (в схеме с ОЭ – базовая модуляция), модуляция возбуждением (усиление модулированных колебаний), коллекторная, а также комбинированные способы.

2.2. Качественные показатели AM

При изучении вопросов управления колебаниями высокой частоты важную роль играют качественные показатели. Отличие формы огибающей АМ – колебаний от формы модулирующего сигнала связано с нелинейными и частотными (линейными) искажениями. Оценка качества модуляции производится на основе статических и динамических модуляционных характеристик (СМХ и ДМХ).

Статическая модуляционная характеристика – это зависимость первой гармоники коллекторного тока I_к1 (или тока в нагрузке I_н) от модулирующего фактора (E_б, U_mб, Е_к) при условии, что амплитуда модулирующего напряжения U_Ω = 0 (модулирующий сигнал отсутствует). Типичный вид СМХ для случаев модуляции смещением, возбуждением и коллекторной модуляции показан на рис.3,а,б,в. Особенности СМХ при осуществлении коллекторной модуляции в генераторе на мощном биполярном транзисторе будут рассмотрены ниже.

5

6

СМХ позволяет определить границы линейной модуляции и тем самым определить точку, соответствующую режиму молчания (несущей частоты), а также оценить нелинейные искажения, возникающие в процессе модуляции. Соответствующие построения показаны на рис.3 для всех трех случаев осуществления амплитудной модуляции. На графиках обозначены режимы генератора по напряженности, соответствующие отдельным участкам СМХ. Дополнительно на этих рисунках показаны модулирующие напряжения, амплитуды U_Ω которых установлены исходя из условия получения глубокой (m≈1) АМ с минимальными нелинейными искажениями.

А мплитудная динамическая модуляционная характеристика (АДМХ) m=f(U_Ω) – зависимость коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения U_Ω (рис. 4) – может быть получена из статической модуляционной характеристики, если отсутствуют частотные искажения в тракте низкой (модулирующей) частоты. Обычно АДМХ снимается для частот модуляции F=Ω/2π=400 и 1000 Гц и дает возможность определить динамический диапазон модулирующего сигнала U_Ωmin…U_Ωmax.

При достаточно малых значениях модулирующего напряжения U_Ω<U_Ωmax глубина модуляции может оказаться меньше паразитной модуляции (фон, шумы). При больших значениях U_Ω > U_Ωmax захватываются участки верхних и нижних загибов СМХ (рис.3,а,б,в), что приводит к появлению верхнего загиба АДМХ.

АДМХ снимается, как правило, для отрицательных m^─=I^─_Ω/I_к1мол= f(U_Ω) и положительных m⁺=I⁺_Ω/I_к1мол=f(U_Ω) полупериодов модуляции. Как нетрудно видеть из рис.3,а,б,в, при АМ возможно как m⁻ > m⁺, так и наоборот. Соответственно, две характеристики могут различаться. Их совпадение свидетельствует о правильности выбора режима молчания.

Частотные искажения оцениваются динамической частотной модуляционной характеристикой (ЧДМХ). ЧДМХ передатчика m = f(F) есть зависимость коэффициента модуляции от модулирующей частоты F при постоянном уровне напряжения на входе модулятора. Типичный вид ЧДМХ показан на рис.5.

7

Рис.5

Она снимается, как правило, при двух значениях напряжения U_Ω, соответствующих коэффициентам модуляции на средних частотах т (F _ср) = 50 и 90%.

Поскольку ЧДМХ снимается для передатчика в целом, основной причиной частотных искажений, обусловленных неравномерностью ЧДМХ, является влияние блокировочных и разделительных реактивных элементов в тракте низкой частоты, а также в цепях модулируемого генератора. Другая причина связана с неравномерностью частотной характеристики сопротивления Z_э(ω) выходной согласующей цепи генератора в полосе частот Δω = 2Ω (см. рис.2). При этом глубина модуляции напряжения (тока) на нагрузке отличается от глубины модуляции коллекторного тока, так как различен коэффициент передачи согласующей цепи для боковых спектральных составляющих и несущей частоты. Если согласующая цепь выполнена в виде одиночного

колебательного контура, то в этом случае наблюдается спад ЧДМХ на верхних

частотах, связанный с расстройкой колебательного контура для составляющих боковых полос. В случае многоконтурной согласующей цепи, для которой зависимость Z_э(ω) может иметь вид многогорбой кривой, возможен и подъем ЧДМХ в области верхних частот модуляции. Частотные искажения, связанные с влиянием согласующей цепи, становятся заметными лишь в передатчиках ДВ и СВ, для которых F _max соизмерима с несущей частотой.

2.3. Генератор с коллекторной модуляцией

При коллекторной АМ колебания получаются путем изменения напряжения коллекторного питания E_к в соответствии с законом передаваемого сообщения. При однотональной модуляции:

8

(6)

При работе на линейном участке СМХ (рис.3,в) можно считать, что:

и Е_к = Е_{к мол} (1+mcosΩt). (7)

В процессе модуляции первая гармоника и постоянная составляющая коллекторного тока изменяются пропорционально:

I_к1 = I_{к1 мол} (1+mcosΩt); I_к0 = I_{к0 мол} (1+mcosΩt). (8)

Используя соотношения (7) и (8),нетрудно убедиться, что колебательная и подводимая мощности (Р₁=0,5I²_к1R_э и Р₀=I_к0Е_к) изменяются пропорционально. Следовательно, при коллекторной модуляции электронный КПД η= Р₁/Р₀ оказывается постоянным:

η_max = η_ср = η_мол = const . (9)

Как видно из рис.3,в, глубокая и линейная коллекторная модуляция возможна при работе генератора в перенапряженном режиме, отличающемся повышенным значением η, благодаря чему энергетические показатели генератора при модуляции сохраняются высокими. В этом состоит главное преимущество такого вида модуляции по сравнению с модуляцией изменением смещения на базе и модуляцией изменением напряжения возбуждения. Как видно из рис.3,а,б, два последних способа АМ осуществляются при работе транзистора в недонапряженном режиме и соответственно обеспечивают низкий электронный КПД. Кроме того, при реализации базовой модуляции в генераторах на современных мощных биполярных транзисторах, работающих при возбуждении током, возникают большие нелинейные искажения [2].

В то же время для модуляции на коллектор требуется сравнительно

большая мощность от модулятора (модуляционного усилителя). Например, при 100%-й модуляции (m=1) она составляет [1] : Р_Ω = 0,5 Р_{0 мол} (Р_{0 мол} – подводимая мощность в режиме молчания). Для повышения энергетических показателей модуляционного усилителя и передатчика в целом используют двухтактные усилители, работающие с отсечкой тока (в режиме класса В), а также в режиме класса Д (в ключевом режиме с широтно-импульсной модуляцией).

9

Рис.6

В лабораторной установке коллекторная AM осуществляется в генераторе с резонансной нагрузкой ¹⁾. На рис.6 показана упрощенная схема генератора с коллекторной модуляцией и нагрузкой в виде П-контура. Применение более сложной колебательной системы по сравнению с параллельным LC-контуром обусловлено тем, что в перенапряженном режиме напряжение на коллекторе оказывается негармоническим (уплощается). В случае П-контура напряжение на емкости С₁ также уплощается, но напряжение на нагрузочном сопротивлении R_н близко к гармоническому, так как благодаря L₁ и С₂ происходит дополнительная фильтрация высших гармоник.

Схема питания коллекторной цепи транзистора параллельная. На коллектор подается постоянное напряжение питания Е_{к мол}, определяющее режим молча- ния генератора при отсутствии модуляция. В цепи коллекторного питания включен низкочастотный трансформатор Т, через который на коллектор после- довательно с напряжением Е_{к мол} подается низкочастотное напряжение U_кΩ. Блокировочные элементы L_{бл 3} и С _{бл 2} предотвращают попадание токов ВЧ в цепи питания и модуляции, а С _{бл 1} и L_{бл 2} – токов низкой частоты в источник коллекторного питания. По этой причине при выборе указанных элементов следует выполнить условия: С _{бл 1} >> С _{бл 2}; L_{бл 2} >> L_{бл 3}.

____________________________________

¹⁾ Коллекторную АМ производят также [2] в ключевых генераторах.

10

С другой, стороны элементы L_{бл 2} и L_{бл 3}, обеспечивающие, соответственно, короткое замыкание и большое сопротивление для ВЧ тока, не должны быть настолько велики, чтобы препятствовать протеканию НЧ составляющей тока в цепи коллектора транзистора. В свою очередь, разделительный конденсатор С_р2, имеющий малое сопротивление на частоте ВЧ колебаний, не должен пропускать НЧ ток в колебательную систему и сопротивление нагрузки. Отметим, что трансформатор, перечисленные блокировочные элементы, колебательная система (П-контур) формируют вид рассмотренной выше частотной динамической модуляционной характеристики, причем те или иные элементы схемы по-разному сказываются на ее неравномерности в области низких (F _min) и высоких (F _max) частот.

Базовая цепь генератора, построенная по схеме параллельного питания, по своему виду и требованиям к элементам не отличается от аналогичной схемы обычного генератора (без модуляции).

На рис.7 показаны статические модуляционные характеристики генератора,

построенного на мощном биполярном транзисторе по схеме (рис.6) и работающего в перенапряженном режиме при коллекторной модуляции: I_к1 (или U_н) и I_к0 в функции от Е_к при I_б (или U_г) = const. Обе характеристики в основной средней части достаточно линейны, но при малых и больших значениях напряжения Е_к имеют нелинейные участки.

Рис.7

11

П ри малых значениях напряжения Е_к и при Е_к < 0 под действием тока базы происходит открывание коллекторного перехода и непосредственное прохождение ВЧ колебаний со входа на выход транзистора. На рис.8,а показаны искажения в огибающей АМ-колебания, вызванные этим эффектом. Эти искажения носят название "перемодуляции". Поскольку при перемодуляции I_к1min<0, коэффициент глубины АМ оказывается больше единицы.

Искажения при больших значениях Е_к связаны с переходом генератора в недонапряженный режим. Они проявляются в уплощении верхней полуволны огибающей (рис.8,б). Отметим, что в ключевых генераторах при увеличении Е_к сохраняется достаточная линейность I_к1 и I_к0, поскольку в этом случае только снижается степень насыщения и увеличивается длительность активных этапов транзистора (начинается постепенный переход в перенапряженный режим).

В генераторах с коллекторной модуляцией искажения на начальном участке СМХ в значительной степени уменьшаются при введении подмодуляции в один из предыдущих каскадов, так что по закону модулирующего сигнала изменяется также амплитуда возбуждения данного

генератора. Модуляционные характеристики для этого случая близки к штриховым линиям на рис.7. Подмодуляция обычно осуществляется в предыдущем каскаде также на коллектор, но с коэффициентом глубины модуляции меньшим единицы.

На высоких частотах коллекторная модуляция сопровождается паразитной фазовой модуляцией. Из-за конечного времени рассасывания заряда q_к в коллекторном переходе при изменениях коллекторного напряжения Е_к меняется не только амплитуда, но и форма импульса i_к (ωt), так что появляется дополнительный сдвиг амплитуды первой гармоники I_к1 по отношению к входному току базы I_б.

На рис.9 показаны временные диаграммы мгновенного напряжения на коллекторе транзистора е_к (t) при отсутствии модуляции (рис.9,а) и 100%-й

12

м одуляции (рис.9,б) в предположе-нии, что коэффициент использо-вания коллекторного напряжения ξ = U_к / Е_к = ξ_кр ≤ 1 (U_к = I_к1R_э – амплитуда высокочастотного нап-ряжения на коллекторе). Если принять, что высокочастотная составляющая коллекторного нап-ряжения по форме близка к гармонической (уплощения незна-чительны), то мгновенное напря-жение е_к(t) изменяется по закону:

е_к(t)=Е_к(Ωt)+U_к(Ωt)cosωt . (10)

Максимальное значение коллекторного напряжения равно

е_{к max} =Е_{к max} +U_{к max} =(1+ξ)(1+m)Е_{к мол} . (11)

Оно не должно превышать U_{к доп}. В частности, из (11) следует, что при m=1 и ξ ≈1 напряжение Е_{к мол} должно быть не более U_{к доп} /4.

2.4. Расчетные формулы для генератора с коллекторной модуляцией

Ниже приводятся соотношения, необходимые для выполнения расчетной части лабораторной работы. Показатели генератора в максимальной точке модуляционной характеристики берутся из расчета генератора в критическом режиме. Они известны из предыдущей лабораторной работы. В предположении линейности СМХ определяют:

− характеристики генератора в режиме молчания:

(= η_max = η_ср);

13

− средние значения мощностей генератора:

Р_{1 ср} =(1+0,5m²_ср )Р_{1 мол} ; Р_{0 ср} =(1+0,5m²_ср )Р_{0 мол} ;

Р_{к ср} =Р_{о ср} -Р_{1 ср} ;

− мощность, потребляемую от модулятора:

Р_Ω = 0,5m²_ср Е_{к мол} I_{к0 мол} .