. (43)
Амплитуда модулирующего сигнала (37) при непревышении стопроцентной глубины модуляции (), как видно из формулы (40), должна быть на напряжение база-эмиттер третьего транзистора меньше напряжения источника питания отрицательной полярности
. (44)
Амплитуду сигнала (44) можно получить на выходе повторителя сигнала (рис.10) при тех же питающих напряжениях ОУ1, что и модулятора в целом. Если требуемый ток превышает допустимый выходной ток используемого ОУ1, то целесообразно в токозадающей цепи ГСТ ток уменьшить, выбрав номиналы резисторов и из соотношения , и рассчитать номинал резистора , исходя из формулы (34),
. (45)
Сопротивление нагрузки модулятора следует выбирать исходя из частоты среза , а не , как в широкополосном демодуляторе, с учетом коэффициента сужения полосы пропускания за счет емкостей, шунтирующих нагрузочное сопротивление . Это связано с тем, что в модуляторе использовать сопротивление в цепи эмиттеров транзисторов дифференциальной пары Т1 и Т2 не рекомендуется, так как при этом возникают нелинейные искажения огибающей.
Действительно, при введении резисторов в цепь эмиттеров БТ Т1 и Т2 крутизна при условии становится независимой от тока :
, (46)
а производная от (46)
является обратной функцией квадрата модулирующего тока (33), т.е. нелинейной функцией для сигнала модуляции (37).
Снимать непосредственно сигналы с несимметричных выходов модулятора нельзя, так как на каждом из этих выходов присутствует синфазный сигнал, образуемый при изменении тока ГСТ на каждом из сопротивлений нагрузки , который, накладываясь на дифференциальный сигнал, искажает закон модуляции. При съеме полезного сигнала с симметричного выхода сигналы , вычитаясь между собой, не проявляются и, следовательно, не нарушают закона модуляции.
Для получения возможности съема полезного сигнала с одного выхода (лучше со второго, так как БТ Т2 включен по схеме с ОБ, при этом сопротивление нагрузки в Т1 должно быть закорочено с целью получения включения с ОК) относительно общей точки необходим специальный каскад сдвига уровня, который позволил бы, исключив влияние синфазного сигнала, восстановить прежний закон модуляции и сформировать несущую без постоянной составляющей. В связи с этим основная схема модулятора (рис. 10) дополнена каскадом сдвига уровня на БТ Т5 с управляемым ГСТ на транзисторах , и ОУ2.
Условие компенсации постоянной составляющей, включая синфазную, на выходе модулятора сводится к условию
0, (47)
где и - напряжение база-эмиттер БТ Т5 и ток дополнительного ГСТ, который по форме записи соответствует (33), так как схема данного ГСТ идентична схеме основного ГСТ (рис. 10).
С учетом отмеченного и формулы (33) условие (47) приобретает вид
0, (48)
где , и - постоянная состовляющая тока, требуемое переменное напряжение компенсации и напряжение база-эмиттер БТ дополнительного ГСТ;- сопротивление компенсирующего резистора.
Условие компенсации (48) в статическом режиме (при отсутствии модуляции 0)
0
позволяет определить требуемый номинал компенсирующего резистора
. (49)
Условие компенсации (48) в динамическом режиме (при наличии модуляции)
0
позволяет определить требуемый уровень переменного напряжения компенсации
. (50)
Для упрощения практической реализации модулятора необходимо соблюдать равенство напряжений и , которое выполнимо при одинаковых токах транзисторов и Т3. Тогда целесообразно принять одинаковыми и токи и , т. е. необходимо иметь два ГСТ с идентичными параметрами, что осуществимо в едином интегральном технологическом цикле.
При идентичных параметрах ГСТ , , и соотношения (49) и (50) упрощаются
, (51)
. (52)
Уравнение (52) позволяет синтезировать управляющее дополнительным ГСТ устройство, которое должно быть инвертирующим устройством на ОУ2 c коэффициентом передачи
. (53)
Номиналы резисторов цепи ООС и при низкоомных резисторах и могут быть пропорционально увеличены, чтобы заметно не нагружать ОУ1 и ОУ2, с сохранением соотношения (53).
Коэффициент передачи каскада сдвига уровня на транзисторе Т5
, (54)
где - внутреннее сопротивление второго (компенсирующего) ГСТ
; (55)
и - параллельное соединение резисторов и и коэффициент передачи тока БТ .
Результирующий коэффициент передачи по несущей амплитудного модулятора (41) и (54)
. (56)
Входные сопротивления по входу несущей модулятора без учета сопротивления в цепи базы транзистора Т1, которое при подключенном источнике сигнала может отсутствовать, относительно невелико. Оно такое, как у простого ДУ:
, (57)
где - коэффициент передачи тока БТ Т1, Т2, что требует применения источника сигнала с малым внутренним сопротивлением.
Входное сопротивление модулятора по модуляционному входу исключительно велико, оно определяется входным дифференциальным сопротивлением и коэффициентом передачи используемого ОУ1
. (58)
В связи с этим модуляционный вход модулятора целесообразно экранировать, соединив оплетку кабеля с выходом ОУ1, как показано на рис.10.
Выходное сопротивление модулятора
(59)
относительно велико, и это определяет необходимость использования высокоомной нагрузки.
Так как транзисторы дифференциальной пары Т1 и Т2 включены по схеме ОК-ОБ и нагрузкой ее является БТ Т5, включенный по схеме ОК, то в формировании частоты среза модулятора участвует частота среза по параметру крутизны транзистора Т2 и частота среза ФНЧ нагрузки , которые принимаются равными (). С учетом коэффициента сужения полосы пропускания , в данном случае n=2 и , сопротивление нагрузки
, (60)
где - выходная емкость ФНЧ нагрузки, состоящая из емкостей коллектор- база транзисторов Т2 и Т5 и монтажной емкости ;
. (61)
В связи с этим требуемая частота единичного усиления транзисторов Т1 и Т2
. (62)
Расчет амплитудного модулятора следует начинать с определения сопротивления нагрузки (60) и задания требований к транзисторам дифференциальной пары Т1, Т2 и режима их работы с целью обеспечения заданного частотного диапазона. При емкостях 2 пФ и емкости монтажа 1 пФ емкость (61) 5 пФ и для частоты среза модулятора 200 МГц сопротивление нагрузки (50) составит 100 Ом, а требуемая частота единичного усиления (62) транзисторов Т1, Т2 при 5 Ом и 10 мА должна быть 300 МГц.
Желательно чтобы остальные транзисторы схемы модулятора были однотипными с Т1 и Т2, но они работают с цепями ООС, и их частоты единичного усиления могут быть несколько меньшими, несмотря на удвоенное значение их рабочего тока.
Так как к модулятору, как правило, не предъявляется высоких требований в части коэффициента усиления несущей (56), то даже при такой низкоомной нагрузке ток ГСТ (34) может быть выбран не очень большой величины (20 мА), чтобы использовать стандартные ОУ1 и ОУ2, например, 10 мА.
После этого расчет производят в соответствии с формулами, описывающими работу модулятора, включая оценку входных и выходных его параметров (57) - (59), выбор соответствующего ОУ и определение номиналов резисторов , (53) ОУ2, c учетом того что верхняя частота модулирующего сигнала (37), как правило, не превышает верхней частоты звукового диапазона 20 кГц.
При первичной отладке амплитудного модулятора необходимо в отсутствие входных сигналов (36) и (37) как можно точнее получить нулевой уровень постоянной составляющей выходного напряжения путем более точной, например лазерной, подгонки номинала компенсирующего резистора (рис. 10). Затем, установив уровень модулирующего сигнала , соответствующий предельной глубине модуляции (1) (40), путем подстройки номинала резистора следует зафиксировать отсутствие данного сигнала на выходе модулятора. После этого при калиброванных входных сигналах и модулятор может быть использован как прецизионное средство получения сигналов с АМ в широком диапазоне частот.
4. Линейный частотный модулятор
ЧМ, так же как и АМ, может быть осуществлена в отдельном от автогенератора модуляторе. Это актуально для ряда радиотехнических систем, в том числе и измерительных [9], требующих двух синхронизированных сигналов, один из которых представляет собой немодулированное колебание, а другой – колебание с ЧМ или АМ.
Линейный частотный модулятор (рис.11), реализованный на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1], удовлетворяет таким требованиям. В состав системы ФАПЧ входят управляемый по частоте генератор 1, ФИ 2, цифровой частотно-фазовый демодулятор (ЦЧФД) 3, ДУ 4, сумматор 5 и сравнивающее устройство 6. Для осуществления линеаризации характеристики управления по частоте генератора введены
|
ПЧН 7 и ФНЧ 8.
К второму входу ЦЧФД посредством ФИ 9 подводится сигнал от внешнего высокочастотного генератора несущей частоты с напряжением . На второй вход сумматора подается модулирующий сигнал от внешнего низкочастотного генератора с напряжением . В связи с тем, что частотный диапазон работы ЦЧФД ограничен, но имеется необходимость получения сигналов с рабочей частотой, превышающей предельную частоту функционирования ЦЧФД, в состав линейного частотного модулятора могут быть введены делители частоты 10, 11.
При отсутствии одного из делителей 10 или 11 частота напряжения на выходе управляемого генератора может быть ниже или выше частоты несущей внешнего генератора:
, (63)
