IV. Расчёт амплитудного модулятора

 

Передатчики с амплитудной модуляцией применяют для телефонной связи, радиовещания, передачи телевизионных изображений. Их мощность зависит от назначения линии связи и ее протяженности и колеблется от долей ватт до десятков мегаватт. Передатчики с АМ работают во всех диапазонах радиочастот. Структурная схема АМ-передатчика, как правило, многокаскадная, что определяется высокими требованиями к стабильности частоты передатчика.

При испытаниях, настройке передатчика и теоретических исследованиях модулирующий сигнал s(t) считают гармоническим с частотой Ω. По этому закону должна меняться амплитуда тока в антенне передатчика относительно значения, определяющего режим молчания I_{а. мол}, когда сигнал информации отсутствует:

, (4.1)

где - коэффициент модуляции. Ток пропорционален амплитуде модулирующего напряжения U_W и коэффициенту модуляции m.

Амплитудную модуляцию можно осуществить в любом из усилительных каскадов передатчика, если по закону сигнала информации менять фактор модуляции: одно или несколько питающих напряжений, сопротивления резисторов в цепи антенны, токи питания. В УМ при АМ необходимо обеспечить не только высокие КПД и коэффициента усиления К_р, но также обеспечить качество модуляции и малые искажения, которые появляются при преобразованиях сигнала информации, при этом работу каскада с АМ удобно оценивать с помощью модуляционных характеристик, указанных выше.

Энергетические и качественные показатели передатчика зависят от того, какое из питающих напряжений меняется при модуляции. Различают два основных вида амплитудной модуляции: напряжением смещения Е_с и напряжением питания цепи коллектора Е_п. Кроме того, применяют комбинированную модуляцию, при которой меняются одновременно несколько питающих напряжений.

Модуляция смещением.

По сигналу информации изменяют напряжение смещения на входе АЭ: Е_с= Е_{с. мол} +U_WcosWt, при этом схему модулированного усилителя мощности составляют по общим правилам, добавляя только источник модулирующего напряжения с амплитудой U_W, который включают последовательно с источником Е_{с. мол}, задающим режим молчания.

При модуляции смещением используется недонапряженный режим. Напряжение Е_с влияет на составляющие коллекторного тока I_к1, I_к0, которые в недонапряженном режиме пропорциональны коэффициентам разложения g₁(q), g₀(q). Эти зависимости нелинейные, поэтому получить 100% - ную неискаженную модуляцию коллекторного тока при модуляции смещением не удается. Максимальный коэффициент модуляции при малых нелинейных искажениях m=0,6.

Расчет каскада начинают с максимальной точки, выбрав критический режим, а для уменьшения нелинейных искажений угол отсечки коллекторного тока q_max выбирают в пределах 110...120°. В результате расчета определяют токи, напряжения, мощности, КПД и сопротивление R_к. Мощность, потребляемая от модулятора Р_W= 0,5I_WU_W, где I_W - амплитуда первой гармоники звуковой составляющей входного тока. Мощность модулятора Р_W невелика, составляет несколько процентов Р_{1 мол}. В этом достоинство модуляции смещением, поэтому её обычно реализуют в одном из маломощных каскадов передатчика.

Коллекторная модуляция.

Модулирующее напряжение вводится последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора Е_{п. мол}, определяющим режим молчания:

Е_п = Е_{п. мол} +U_W cos Wt=Е_{п. мол}(1+mcosWt), (4.2)

где m=U_W/ Е_{п. мол}.

При коллекторной модуляции используется перенапряженный режим. Статистические модуляционные характеристики при коллекторной модуляции АЭ представляют собой зависимости показателей режима от напряжения Е_п при постоянных Е_с, U_в, R_к. Токи I_к1, I_к0 при вариации Е_п меняются в ПР и возрастают почти линейно с ростом Е_п, а в НР они практически не меняются. Известно, что ПР характеризуется большими входными токами, мощностями возбуждения и рассеяния, что приводит к тяжелому режиму АЭ и низкому усилению К_р. Напряженность режима удается несколько ослабить, уменьшив входной ток за счет введения автоматического смещения на входе АЭ вместо внешнего источника смещения. или применив одновременную модуляцию выходного и предвыходного каскадов. Модуляция получается комбинированной. При этом статические характеристики токов в цепи коллектора становятся более линейными.

Номинальная мощность транзистора должна соответствовать мощности в максимальном режиме Р_{1 ном} = Р_1max. Остальные соображения по выбору АЭ - те же, что и при отсутствии модуляции.

Варианты схем модулируемого каскада различаются типами АЭ, цепями согласования и др. элементами схем. Главное, что в цепи питания анода или коллектора последовательно с источником Е_{п. мол} подают с выхода модулирующего каскада напряжение U_W.

 

Пример расчёта амплитудного модулятора

4.1. Выполнить расчёт амплитудного модулятора с модуляцией смещением для структурной схемы из примера 1.1.

Решение:

Энергетический расчёт включает в себя [13]:

1. Выбор типа транзистора по исходным данным.

2. Расчёт коллекторной цепи.

3. Расчёт базовой цепи.

В качестве каскада, в котором можно осуществлять модуляцию смещением для получения АМ-сигналов можно выбрать (см. рис. 1.1) усилитель мощности или предвыходной модуль. Выберем каскад УМ1, при этом все последующие каскады будут работать в режиме усиления модулированных колебаний.

Исходными данными будут:

- мощность, выделяемая в следующий каскад (УМ1) в максимальном (пиковом) режиме Р_1м = 0,25 Вт;

- индекс модуляции m = 0,6

- верхняя частота сигнала f_в = 50 МГц.

1. В качестве активного элемента выберем кремниевый маломощный высокочастотный транзистор КТ602А. Для транзистора КТ602А из справочника [12] выпишем необходимые для расчёта значения характеристик и параметров: E_{к доп} = 100 В, I_{к max} = 75 мА, P_{к max} = 2,8 Вт (с отводом тепла), h_21Э = 20-80, I_К.об=70 мкА, f_гр = 150 МГц, напряжение насыщения коллектор-эмиттер (при I_К = 50 мА) Е_{нас КЭ} = 3 В, напряжение насыщения база-эмиттер (при I_К = 50 мА) Е_{нас БЭ} = 3 В, максимальная рассеиваемая мощность с теплоотводом P_{рас макс} = 0,55 Вт, ёмкость коллекторного перехода С_к = 4 пФ, постоянная времени цепи обратной связи = 300 пс.

Расчёт коллекторной цепи.

2. Угол отсечки выберем равным q_к.max = 120⁰. По таблицам А.И. Берга находим α_0к=0,405; α_1к=0,54; cosq_к.max = 0,5.

3. Определим напряжение на коллекторе Е_к = 0,5·E_{к доп} = 50 В.

4. Определим коэффициент использования коллекторного напряжения в критическом режиме

,

где определим из справочных данных, как .

Тогда

.

5. Определим амплитуду напряжения на коллекторе

,

В.

6. Определим амплитуду первой гармоники коллекторного тока

,

мА.

7. Определим максимальный коллекторный ток (высоту импульса тока коллектора)

,

мА.

8. Определим постоянную составляющую коллекторного тока

,

< I_{к max} = 75 мА.

9. Определим эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим

,

Ом.

10. Определим мощность, потребляемую от источника питания коллекторной цепью транзистора

,

Вт.

11. Определим полезную колебательную мощность на коллекторной нагрузке

,

Вт ≈ 0,25 Вт.

12. Определим мощность рассеивания, выделяемую на коллекторе транзистора

,

Вт < P_{рас макс}.

13. Определим КПД генератора по коллекторной цепи

,

.

Расчёт базовой цепи

14. Определим угол дрейфа используемого транзистора на рабочей частоте

а) Рассчитаем время дрейфа используемого транзистора

,

сек.

б) угол дрейфа на рабочей частоте

,

.

15. Определим нижний угол отсечки положительных импульсов эмиттерного тока

,

.

По таблицам А.И. Берга коэффициенты разложения , и величина .

16. Определим модуль коэффициента усиления транзистора по току на рабочей частоте

,

.

17. Определим первую гармонику тока эмиттера

,

мА.

18. Определим высоту (максимальное значение) положительного импульса эмиттерного тока

,

мА.

19. Определим постоянную составляющую импульса тока эмиттера

,

мА.

20. Определим амплитуду переменного напряжения на переходе эмиттер-база транзистора, обеспечивающую вышерассчитанный ток .

,

где - коэффициент включения коллекторного тока в состав эмиттерного, выбирается из диапазона 0,95-0,99;

D – коэффициент, учитывающий рост ВАХ в активной области, для данного случая выберем его значение равное нулю;

S_к – статическая крутизна коллекторного тока, которую определим как .

В.

21. Определим модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с зажимов входных электродов на переход эмиттер-база транзистора

,

.

22. Определим амплитуду напряжения возбуждения, требуемую от внешнего источника (нагрузки предыдущего каскада, в нашем случае - автогенератора, см. рис. 1.1) на рабочей частоте

,

В.

23. По графику (рис. П2, см. справочные данные) найдём величину коэффициента K_R: для К_пер=0,149 K_R = 0,1.

24. Определим приближённое значение входного сопротивления каскада по высокой частоте

,

где .

Ом,

Ом.

25. Определим мощность возбуждения цепи базы (мощность, поступающей на входные зажимы) транзистора на высшей рабочей частоте

,

мВт.

26. Определим первую гармонику тока базы

,

мА.

27. Определим реальную величину постоянного тока базы

,

мА.

28. Определим напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки положительных импульсов тока эмиттера

,

где Ом,

Е’ – напряжение отсечки (для кремниевого транзистора 0,65 В).

В.

29. Определим угол отсечки положительных импульсов тока базы

,

где Е_б0 = (1,25... 2)·Е’ = 1,25 · 0,65 = 0,81 В.

.

По таблицам А.И. Берга α_0б = 0,194, α_1б = 0,355, cos(θ_{б макс}) = 0,602.

30. Определим максимальное значение (высоту) положительного импульса тока базы

,

мА.

31. Определим постоянную составляющую положительного импульса тока базы

,

мА.

32. Определим мощность, теряемую в цепях базового смещения

,

мВт.

33. Определим мощность рассеивания, выделяемую в цепи базы

,

мВт.

34. Определим коэффициент усиления генераторного каскада по мощности

,

35. Определим суммарную мощность рассеивания, выделяемую в корпусе транзистора

,

мВт < P_{рас макс} = 0,55 Вт.

Аналогичным образом выполняется расчёт коллекторной и базовой цепей модулятора для режима молчания, в котором . В нашем случае мВт.