Модулятор амплитуды мощных гармонических сигналов
Владельцы патента RU 2459347:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении возможности работы от мощного генератора с произвольным выходным сопротивлением. Модулятор амплитуды мощных гармонических сигналов содержит электрические фильтры, модулятор, биполярные транзисторы противоположного типа проводимости, эмиттер, коллектор, резисторы, источники смещения, конденсатор. 3 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в качестве модулятора амплитуды передатчиков теле- и радиовещания.
Известен модулятор амплитуды гармонических сигналов, содержащий первый электрический фильтр, вход которого является входом устройства для модулируемого сигнала, трансформатор, первичная обмотка которого является входом устройства для модулирующего сигнала и один из выводов вторичной обмотки которого подключен к источнику смещения, второй электрический фильтр, вход которого подключен к другому выводу вторичной обмотки трансформатора, третий электрический фильтр, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор, коллектор которого подключен к входу третьего электрического фильтра, эмиттер биполярного транзистора соединен с общим для всего устройства проводником, а его база - с выходами первого и второго электрических фильтров, при этом напряжение питания подается на коллектор через катушку индуктивности третьего электрического фильтра [1].
Недостатком такого модулятора является небольшой динамический диапазон модулируемого сигнала, обусловленный переходом транзистора в режим двухстороннего ограничения при превышении амплитуды модулируемого сигнала значения, равного 1…2 В.
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является модулятор амплитуды, содержащий первый электрический фильтр, вход которого является входом модулятора для модулируемого сигнала, второй электрический фильтр, выход которого является выходом модулятора, биполярный транзистор, коллектор которого подключен к входу второго электрического фильтра и выходу первого электрического фильтра, а эмиттер соединен с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй подключен к источнику смещения, конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй является входом модулятора для модулирующего сигнала [2].
Недостатком устройства-прототипа является то, что оно может работать только от генератора с выходным сопротивлением, много большим, чем сопротивление насыщения используемого биполярного транзистора.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - возможность работы от мощного генератора с произвольным выходным сопротивлением.
Это достигается тем, что в модулятор амплитуды, содержащий первый электрический фильтр, вход которого является входом модулятора для модулируемого сигнала, второй электрический фильтр, выход которого является выходом модулятора, первый биполярный транзистор, эмиттер которого подключен к входу второго электрического фильтра, а коллектор соединен с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с базой первого биполярного транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй подключен к источнику смещения, конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй является входом модулятора для модулирующего сигнала, введены второй биполярный транзистор противоположного типа проводимости по сравнению с первым биполярным транзистором, коллектор второго биполярного транзистора подключен к выходу первого электрического фильтра, а эмиттер соединен со входом второго электрического фильтра, третий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго биполярного транзистора, четвертый резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а второй подключен к дополнительному источнику смещения, второй конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора, при этом второй вывод второго конденсатора подключен ко второму выводу третьего резистора.
На фиг.1 и 2 представлены функциональная схема предложенного модулятора амплитуды мощных гармонических сигналов и принципиальная электрическая схема макета такого устройства.
Модулятор амплитуды (фиг.1) содержит первый электрический фильтр 1, вход которого является входом модулятора для модулируемого сигнала, второй электрический фильтр 2, выход которого является выходом модулятора, первый биполярный транзистор 3, эмиттер которого подключен к входу второго электрического фильтра 2, а коллектор соединен с общим для всего устройства проводником, первый резистор 4, первый вывод которого соединен с базой первого биполярного транзистора 3, второй резистор 5, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора 4, а второй подключен к источнику смещения, конденсатор 6, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора 4, а второй является входом модулятора для модулирующего сигнала, второй биполярный транзистор 7 противоположного типа проводимости по сравнению с первым биполярным транзистором 3, коллектор второго биполярного транзистора подключен к выходу первого электрического фильтра 1, а эмиттер соединен со входом второго электрического фильтра 2, третий резистор 8, первый вывод которого соединен с базой второго биполярного транзистора 7, четвертый резистор 9, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 8, а второй подключен к дополнительному источнику смещения, второй конденсатор 10, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора 6, при этом второй вывод второго конденсатора 10 подключен ко второму выводу третьего резистора 8.
Предлагаемый модулятор амплитуды мощных гармонических сигналов работает следующим образом. Модулируемый сигнал Uω, подаваемый на вход устройства, проходит через первый электрический фильтр 1 и поступает на коллектор второго биполярного транзистора 7. На базу первого транзистора 3 через первый резистор 4 и второй резистор 5 от источника смещения Есм подается постоянное напряжение, запирающее переходы коллектор-база и база-эмиттер первого транзистора 3. На базу второго транзистора 7 через третий резистор 8 и четвертый резистор 9 от дополнительного источника смещения Есм.доп подается постоянное напряжение, запирающее переходы коллектор-база и база-эмиттер второго транзистора 7. Поэтому в исходном состоянии оба транзистора заперты. Переменное высокочастотное напряжение Uω делится между емкостями закрытых переходов коллектор-база и база-эмиттер второго транзистора 7. На переходе коллектор-база последнего имеется переменное напряжение, амплитуда которого равна значению UвхСбэ/(Сбк+Сбэ), где Uвх - амплитуда переменного высокочастотного напряжения на коллекторе второго транзистора 7; Сбэ и Сбк - емкости закрытых переходов база-эмиттер и коллектор-база второго транзистора 7. Заметим, что значения емкостей закрытых переходов Сбэ и Сбк современных биполярных транзисторов отличаются незначительно [3]. Величина постоянного запирающего напряжения на базах транзисторов 3 и 7 устанавливается равной половине амплитуды переменного высокочастотного напряжения, имеющейся на переходе коллектор-база второго транзистора 7 и соответствующей номинальному значению амплитуды переменного высокочастотного напряжения модулируемого сигнала (то есть величина постоянного напряжения на базах транзисторов 3 и 7 устанавливается приблизительно равной одной четвертой части амплитуды номинального значения напряжения модулируемого сигнала). Резисторы 4 и 8 исключают влияние выходного сопротивления генератора модулирующего сигнала UΩ на перераспределение высокочастотного напряжения модулируемого сигнала на емкостях закрытых переходов база-эмиттер и коллектор-база транзисторов 3 и 7.
В отрицательный полупериод воздействия переменного сигнала Uω напряжение на базе транзистора 7 в какой-то момент времени становится меньше напряжения на его эмиттере. Переход база-эмиттер открывается, и через коллекторную цепь начинает протекать ток, равный αIЭ, где α - коэффициент передачи эмиттерного тока, IЭ - ток эмиттера. Для мгновенного значения модулируемого сигнала, превышающего половину номинального значения, переход эмиттер-коллектор транзистора 7 представляет двухполюсник с сопротивлением Rвx=Uвx/αIЭ, величина которого составляет доли Ом. В положительный полупериод модулируемого сигнала, амплитуда которого превышает половину номинального значения напряжения модулируемого сигнала, открывается переход коллектор-база транзистора 7, и через него начинает протекать ток, равный αIIK, где αI - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора 7, Iк - ток коллектора. Согласно [4], α≈αI. При положительной полуволне модулируемого сигнала, амплитуда которого превышает половину амплитуды номинального напряжения, переход эмиттер - коллектор транзистора 7 также представляет собой двухполюсник, сопротивление которого составляет доли Ом. В этом случае, соответствующем работе модулятора от генератора модулируемого сигнала с малым выходным сопротивлением, то есть от генератора напряжения, на вход фильтра 4 поступает напряжение модулируемого сигнала по модулю, вдвое превышающее постоянное напряжение на базе транзистора 7 (транзистор 3 не влияет на работу модулятора).
При работе модулятора от генератора модулируемого сигнала с большим выходным сопротивлением, то есть от генератора тока, на его работу не влияет транзистор 7 и изменение амплитуды модулируемого сигнала осуществляется транзистором 3. При этом амплитуда высокочастотного модулируемого сигнала на коллекторе транзистора 3 оказывается равна напряжению, вдвое превышающему постоянное напряжение на базе транзистора 3. При работе модулятора от генератора модулируемого сигнала с выходным сопротивлением, соизмеримым с сопротивлением нагрузки модулятора, изменение амплитуды модулируемого сигнала осуществляется одновременно транзисторами 3 и 7.
Модулирующий сигнал UΩ, поступающий на базу транзистора 3 и одновременно на базу транзистора 7, изменяет по закону модуляции амплитуду модулируемого сигнала. Варьируя амплитудой модулирующего сигнала, можно изменять глубину модуляции высокочастотного модулируемого сигнала. В среднем за один полупериод колебания модулирующего сигнала сопротивление транзистора 3 возрастает, а сопротивление транзистора 7 уменьшается. При этом амплитуда модулируемого сигнала возрастает. В другой полупериод колебания модулирующего сигнала сопротивление транзистора 3 уменьшается, а сопротивление транзистора 7 возрастает и амплитуда модулируемого сигнала падает.
Между обозначениями объектов, представленных на фиг.1 и 2, имеются следующие соответствия: фильтр 1 соответствует фильтру, образованному элементами C1, C2, LI, L2; фильтр 2 - фильтру, образованному элементами С5, С6, L3, L4; транзистор 3 - транзистору VT2; резистор 4 - резистору R3; резистор 5 - резистору R4; конденсатор 6 - конденсатору С4; транзистор 7 - транзистору VT1; резистор 8 - резистору R2; резистор 9 - резистору R1; конденсатор 10 - конденсатору С3.
На фиг.3 приведена экспериментально измеренная форма огибающей модулируемого сигнала на выходе модулятора амплитуды, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, при плавном увеличении напряжения модулирующего гармонического сигнала частотой 0,1 МГц. Амплитуда модулируемого гармонического сигнала была выбрана равной 50 В, а его частота 60 МГц. Масштаб времени на оси абсцисс не приведен. В качестве генератора мощных гармонических колебаний был использован полосовой усилитель мощности с эмиттерным повторителем на выходе, выходное сопротивление которого составляло 0,1 Ом. В модуляторе-прототипе подача модулируемого сигнала амплитудой 50 В от генератора с выходным сопротивлением 0,1 Ом приводила к выгоранию транзистора модулятора.
Технический эффект от использования заявляемого объекта по отношению к устройству-прототипу состоит в возможности работы от мощного генератора с произвольным выходным сопротивлением, изменяющимся от нуля Ом до бесконечности.
Источники информации
1. Радиопередающие устройства / Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др.; Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. - 408 с. [стр.292, рис.21.1].
2. Титов А.А. Использование свойств закрытого биполярного транзистора в полосовых усилителях и модуляторах // Известия ТПУ - 2006. - №3. - С.156-159, [рис.7], - прототип.
3. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4-х томах. - М.: КУбК-а, 1997.
4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977. - 672 с. [стр.181, рис.4-9].
Модулятор амплитуды мощных гармонических сигналов, содержащий первый электрический фильтр, вход которого является входом модулятора для модулируемого сигнала, второй электрический фильтр, выход которого является выходом модулятора, первый биполярный транзистор, эмиттер которого подключен к входу второго электрического фильтра, а коллектор соединен с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с базой первого биполярного транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй подключен к источнику смещения, конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, а второй является входом модулятора для модулирующего сигнала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй биполярный транзистор противоположного типа проводимости по сравнению с первым биполярным транзистором, коллектор второго биполярного транзистора подключен к выходу первого электрического фильтра, а эмиттер соединен с входом второго электрического фильтра, третий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго биполярного транзистора, четвертый резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а второй подключен к дополнительному источнику смещения, второй конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора, при этом второй вывод второго конденсатора подключен ко второму выводу третьего резистора.
