RU192630U9

RU192630U9 - Амплитудный модулятор

Info

Publication number: RU192630U9
Application number: RU2019119044U
Authority: RU
Inventors: Петр Андреевич Землянухин
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2019-12-04
Also published as: RU192630U1

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиопередающих устройствах, телекоммуникационных системах и других устройствах, где требуется формирование амплитудно-модулированных сигналов.Технический результат полезной модели состоит в том, что амплитудный модулятор позволяет сформировать амплитудно-модулированный сигнал с верхней частотой работы существенно выше в сравнении с прототипом и аналогами.Это достигается тем, что в амплитудный модулятор дополнительно введены четвертый, пятый и шестой резисторы, где вторые выводы четвертого и пятого резисторов и первый вывод шестого резистора соединены с вторым выводом третьего конденсатора, к первому выводу четвертого резистора относительно общей шины прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием, к первому выводу пятого резистора относительно общей шины прикладывается модулирующий сигнал, второй вывод шестого резистора и первый вывод четвертого конденсатора соединены с общей шиной. 4 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиопередающих устройствах, телекоммуникационных системах и других устройствах, где требуется формирование амплитудно-модулированных сигналов.

Известно устройство амплитудного модулятора (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, с. 291), включающее биполярный транзистор n-p-n-типа, первый и второй конденсаторы, катушку индуктивности, источник несущего колебания u_нес(t), источник модулирующего сигнала u_мод(t) и источник, обеспечивающий напряжение смещения U₀ между базой и эмиттером транзистора на постоянном токе. В этом устройстве эмиттер транзистора соединен с общей шиной. Источники несущего колебания u_нес(t), модулирующего сигнала u_мод(t) и напряжения смещения U₀ соединены последовательно и это последовательное соединение включено между базой транзистора и общей шиной. Первые выводы первого конденсатора и индуктивной катушки соединены между собой. К этому узлу соединения прикладывается положительное напряжение +Е_пит источника питания. Вторые выводы первого конденсатора и индуктивной катушки соединены между собой. Отвод от индуктивной катушки соединен с коллектором транзистора и первым выводом второго конденсатора. Второй вывод второго конденсатора является выходом устройства.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора n-p-n-типа, первого и второго конденсаторов и индуктивной катушки.

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. Кроме этого следует отметить, что сигналы от источников несущего колебания и модулирующего сигнала подаются на базу транзистора, а нагрузка в виде колебательного контура включена в коллекторную цепь транзистора. Это говорит о том, что транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При подобном включении проявляется эффект Миллера, который приводит к уменьшению верхней частоты работы амплитудного модулятора. Суть этого эффекта состоит в том, что паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора, увеличенная в число раз, равное коэффициенту усиления тока транзистором при включении его по схеме с общим эмиттером, приводится к базе транзистора. Тогда можно считать, что относительно базы транзистора включен фильтр нижних частот с большой паразитной емкостью. Это сильно снижает верхнюю частоту работы усилительного каскада и соответственно в данном случае амплитудного модулятора. Для примера в работе [Усилители на биполярных транзисторах: Методические указания / Перм. ун-т; Сост.И.Л. Вольхин, Н.Н. Коротаев, А.Г. Михайловский - Пермь, 1998. - 36 с.] приведен расчет частотных свойств каскада, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Выбран транзистор КТ315Б с параметрами: (β=50÷350, f_г=250 МГц, С_бк≈С_кэ=7 пФ, где С_кэ - емкость между коллектором и эмиттером транзистора; С_к6 - емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора; β - коэффициент усиления базового тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером; f_г - граничная частота работы транзистора. Расчеты показывают, что верхняя частота работы усилительного каскада, когда коэффициент усиления каскада снижается до уровня 0,707, равна 2,1 МГц, что в 119 раз меньше граничной частоты транзистора.

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_б0, которое обеспечивает приложение напряжения смещения Е_см 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 прикладывается несущее колебание, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω₀. 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_ск, сумму напряжений: Ecos(ω₀t)+е_Ω(t), где первое слагаемое определяет несущее колебание, а второе - модулирующий сигнал.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора, четырех конденсаторов, индуктивной катушки и резистора.

К недостаткам аналога следует отнести следующее. В аналоге имеются два трансформатора. Наличие этих элементов приводит к возникновению искажений, как входных сигналов, так и выходного амплитудно-модулированного сигнала. В устройстве транзистор работает с отсечкой тока, что обеспечивает формирование импульсов тока, которые управляют колебательным контуром. Это обеспечивает формирование амплитудно-модулированного сигнала на выходе устройства. Однако 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 возникновению сильных нелинейных искажений импульсов тока и соответственно напряжения на выходе амплитудного модулятора. Кроме этого в устройстве транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При подобном включении транзистора проявляется эффект Миллера, приводящий к снижению верхней частоты работы устройства. Действие этого эффекта заключается в том, что паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора, увеличенная в число раз, равное коэффициенту усиления тока транзистором при включении его по схеме с общим эмиттером, приводится к базе транзистора. Это сильно снижает верхнюю частоту работы усилительного каскада и соответственно в данном случае амплитудного модулятора. В работе [Усилители на биполярных транзисторах: Методические указания / Перм. ун-т; Сост. И.Л. Вольхин, Н.Н. Коротаев, А.Г. Михайловский - Пермь, 1998. - 36 с.] приведен расчет частотных свойств каскада, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Выбран транзистор КТ315Б с параметрами: β=50÷350, f_г=250 МГц, С_бк≈С_кэ=7 пФ, где С_кэ - емкость между коллектором и эмиттером транзистора; С_кб - емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора; β - коэффициент усиления базового тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером; f_г - граничная частота работы транзистора. Расчеты показывают, что верхняя частота работы усилительного каскада, когда коэффициент усиления каскада снижается до уровня 0,707, равна 2,1 МГц, что в 119 раз меньше граничной частоты транзистора.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является амплитудный модулятор (Формирование модулированных сигналов, рис. 23. - URL: http://conture.bv/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 четвертого конденсатора соединены с базой транзистора. Первые выводы первого резистора, первого конденсатора и индуктивной катушки соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания. Вторые выводы первого конденсатора, индуктивной катушки и первый вывод второго конденсатора соединены с коллектором транзистора. Первые выводы третьего резистора и третьего конденсатора соединены с эмиттером транзистора. Вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с общей шиной. К первому выводу четвертого конденсатора прикладывается гармонический сигнал s(t), который выполняет роль несущего колебания. К второму выводу третьего конденсатора прикладывается модулирующий сигнал u(t). С второго вывода второго конденсатора снимается выходной амплитудно-модулированный сигнал s_AM(t).

Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора, первого, второго и третьего резисторов, первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов и индуктивной катушки. Причем второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод четвертого конденсатора соединены с базой транзистора. Первые выводы первого резистора, первого конденсатора и индуктивной катушки соединены с шиной источника напряжения питания. Вторые выводы первого конденсатора, индуктивной катушки и первый вывод второго конденсатора соединены с коллектором транзистора. Второй вывод второго конденсатора является выходом устройства. Первые выводы третьего резистора и третьего конденсатора соединены с эмиттером транзистора. Вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с общей шиной.

Прототипу свойственны следующие недостатки.

В устройстве относительно гармонического сигнала, прикладываемого к базе транзистора, транзистор работает с отсечкой тока, что позволяет сформировать импульсы тока, управляющие колебательным контуром. Это 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 приводит к большим нелинейным искажениям импульсов тока и соответственно напряжения на выходе амплитудного модулятора. Кроме этого следует отметить, что частота изменения гармонического сигнала, прикладываемого к базе транзистора, на несколько порядков выше частоты изменения модулирующего сигнала. В этом случае относительно гармонического сигнала транзистор будет включен по схеме с общим эмиттером. В этом случае применительно к транзистору будет проявляется эффект Миллера, приводящий к уменьшению верхней частоты работы устройства. Действие этого эффекта заключается в том, что паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора, увеличенная в число раз, равное коэффициенту усиления тока базы транзистора, приводится к базе транзистора. Это сильно снижает верхнюю частоту работы амплитудного модулятора. В работе [Усилители на биполярных транзисторах: Методические указания / Перм. ун-т; Сост. И.Л. Вольхин, Н.Н. Коротаев, А.Г. Михайловский - Пермь, 1998. - 36 с.] приведен расчет частотных свойств каскада, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Выбран транзистор КТ315Б с параметрами: β=50÷350, f_г=250 МГц, С_бк≈С_кэ=7 пФ, где С_кэ - емкость между коллектором и эмиттером транзистора; С_кб - емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора; β - коэффициент усиления базового тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером; f_г - граничная частота работы транзистора.. Расчеты показывают, что верхняя частота работы усилительного каскада, когда коэффициент усиления каскада снижается до уровня 0,707, равна 2,1 МГц, что в 119 раз меньше граничной частоты транзистора.

Технический результат амплитудного модулятора состоит в том, что он позволяет сформировать амплитудно-модулированный сигнал с верхней частотой работы существенно выше в сравнении с прототипом и аналогами.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.

Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: четвертый, пятый и шестой резисторы.

Технический результат достигается тем, что в амплитудный модулятор, содержащий биполярный транзистор 7, первый 9, второй 10 и третий 8 резисторы, первый 6, второй 12, третий 4 и четвертый 11 конденсаторы и индуктивную катушку 5, где второй вывод первого резистора 9, первый вывод второго резистора 10, второй вывод четвертого конденсатора 11 соединены с базой транзистора 7, первые выводы первого резистора 9, первого конденсатора 6 и индуктивной катушки 5 соединены с шиной источника напряжения питания 15, вторые выводы первого конденсатора 6, индуктивной катушки 5 и первый вывод второго конденсатора 12 соединены с коллектором транзистора 7, второй вывод второго конденсатора 12 является выходом устройства 16, первый вывод третьего резистора 8 и первый вывод третьего конденсатора 4 соединены с эмиттером транзистора 7, вторые выводы второго 10 и третьего 8 резисторов соединены с общей шиной 17, введены четвертый 1, пятый 2 и шестой 3 резисторы, причем вторые выводы четвертого 1 и пятого 2 резисторов и первый вывод шестого резистора 3 соединены с вторым выводом третьего 4 конденсатора, к первому выводу четвертого резистора 1 относительно общей шины 17 прикладывается гармонический сигнал 13, являющийся несущим колебанием, к первому выводу пятого резистора 2 относительно общей шины 17 прикладывается модулирующий сигнал 14, второй вывод шестого резистора 3 и первый вывод четвертого конденсатора 11 соединены с общей шиной 17.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная амплитудного модулятора.

На фиг. 2 представлены диаграммы суммарного сигнала, включающего гармонический сигнал и одну спектральную составляющую модулирующего сигнала (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал на выходе амплитудного модулятора (нижняя диаграмма).

На фиг. 3 представлены диаграммы суммарного сигнала, включающего гармонический сигнал и две спектральных составляющих модулирующего сигнала (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал на выходе амплитудного модулятора (нижняя диаграмма).

На фиг. 4 представлены диаграммы гармонического сигнала, изменяющегося с частотой 30 МГц, (верхняя диаграмма) и амплитудно-модулированный сигнал, полученный при использовании данного гармонического сигнала и модулирующего сигнала с одной спектральной составляющей (нижняя диаграмма).

Диаграммы, представленные на фиг. 2 - фиг. 4, получены моделированием амплитудного модулятора (фиг. 1). Моделирование выполнено с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

Амплитудный модулятор содержит биполярный транзистор 7, первый 9, второй 10, третий 8, четвертый 1, пятый 2 и шестой 3 резисторы, первый 6, второй 12, третий 4 и четвертый 11 конденсаторы и индуктивную катушку 5. Второй вывод первого резистора 9, первый вывод второго резистора 10 и второй вывод четвертого конденсатора 11 соединены с базой транзистора 7. Первые выводы первого резистора 9, первого конденсатора 6 и индуктивной катушки 5 соединены с шиной источника напряжения питания 15. Вторые выводы первого конденсатора 6, индуктивной катушки 5 и первый вывод второго конденсатора 12 соединены с коллектором транзистора 7. Второй вывод второго конденсатора 12 является выходом устройства 16. Первый вывод третьего резистора 8 и первый вывод третьего конденсатора 4 соединены с эмиттером транзистора 7. Вторые выводы четвертого 1 и пятого 2 резисторов и первый вывод шестого резистора 3 соединены с вторым выводом третьего 4 конденсатора. К первому выводу 13 четвертого резистора 1 относительно общей шины 17 прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием. К первому выводу 14 пятого резистора 2 относительно общей шины 17 прикладывается модулирующий сигнал. Вторые выводы второго 10, третьего 8 и шестого 3 резисторов и первый вывод четвертого конденсатора 11 соединены с общей шиной 17.

Работает амплитудный модулятор следующим образом.

На постоянном токе резистивный делитель, состоящий из первого 9 и второго 10 резисторов, формирует на базе транзистора 7 постоянное напряжение

где Е_п - величина напряжения источника питания, прикладываемого между шиной подключения источника питания 15 и общей шиной 17.

В этом случае на третьем резисторе 8 будет падать напряжение

где V₀ - напряжение, падающее на прямосмещенном p-n-переходе база-эмиттер транзистора 7.

Величина сопротивления третьего резистора 8 будет определять на постоянном токе величину тока эмиттера транзистора 7.

На переменном токе четвертый 1, пятый 2 и шестой 3 резисторы образуют резистивный сумматор для суммирования гармонического сигнала, прикладываемого к первому выводу 13 четвертого резистора 1, и модулирующего сигнала, прикладываемого к первому выводу 14 пятого резистора 2. На третьем резисторе 6 будет формироваться сумма этих сигналов (фиг. 2 и фиг. 3, верхние диаграммы). С шестого резистора 3 суммарный сигнал через третий конденсатор 4 передается в узел соединения первого вывода третьего конденсатора 4, первого вывода третьего резистора 8 и эмиттера транзистора 7. В этом случае относительно сигнальной составляющей транзистор 7 включен по схеме с общей базой. Положительные полуволны суммарного сигнала будут запирать транзистор 7, снижая ток, протекающий через него, а отрицательные полуволны суммарного сигнала будут открывать транзистор 7, где с ростом интенсивности суммарного сигнала будет возрастать и ток эмиттера транзистора 7. В этом случае будет расти и доля энергии, которая будет передаваться в реактивные элементы колебательного контура, выполненного на первом конденсаторе 6 и индуктивной катушке 5. Колебательный контур, имеющий резонансную частоту, равную частоте гармонического сигнала, за счет переходных процессов, происходящих в нем, обеспечивает выделение спектральной составляющей несущего колебания (гармонического сигнала) и боковых спектральных составляющих, включающих спектральные составляющие модулирующего сигнала. В результате этого на выходе 16 устройства появится амплитудно-модулированный сигнал (фиг. 2 и фиг. 3, нижние диаграммы).

Четвертый конденсатор 11, подключенный к базе транзистора 7, за счет заряда, накопленного в нем, обеспечивает постоянство потенциала на базе транзистора 7 при работе амплитудного модулятора, что обеспечивает качественную работу амплитудного модулятора.

Подача суммарного сигнала в узел подключения эмиттера транзистора 7 позволяет существенно снизить уровень нелинейных искажений амплитудно-модулированного сигнала на выходе устройства, поскольку транзистор работает в режиме близком к линейному.

Включение в амплитудном модуляторе транзистора 7 по схеме с общей базой позволяет существенно увеличить верхнюю частоту работы устройства. Это обеспечивается тем, что при подобном включении транзистора 7 эффект Миллера не проявляется, соответственно верхняя частота работы устройства стремится к граничной частоте транзистора. Для примера на фиг.4 на верхней диаграмме приведен гармонический сигнал, изменяющийся с частотой 30 МГц, а на нижней диаграмме приведен амплитудно-модулированный сигнал, при формировании которого использован данный гармонический сигнал, изменяющийся с частотой 30 МГц.

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 других устройствах, где требуется формирование амплитудно-модулированных сигналов.

Claims

Амплитудный модулятор, содержащий биполярный транзистор, первый, второй и третий резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы и индуктивную катушку, где второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора, второй вывод четвертого конденсатора соединены с базой транзистора, первые выводы первого резистора, первого конденсатора и индуктивной катушки соединены с шиной источника напряжения питания, вторые выводы первого конденсатора, индуктивной катушки и первый вывод второго конденсатора соединены с коллектором транзистора, второй вывод второго конденсатора является выходом устройства, первый вывод третьего резистора и первый вывод третьего конденсатора соединены с эмиттером транзистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с общей шиной, отличающийся тем, что в него дополнительно введены четвертый, пятый и шестой резисторы, причем вторые выводы четвертого и пятого резисторов и первый вывод шестого резистора соединены с вторым выводом третьего конденсатора, к первому выводу четвертого резистора относительно общей шины прикладывается гармонический сигнал, являющийся несущим колебанием, к первому выводу пятого резистора относительно общей шины прикладывается модулирующий сигнал, второй вывод шестого резистора и первый вывод четвертого конденсатора соединены с общей шиной.