Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

4.3. Частотні і фазові модулятори

                Побудова частотного модулятора полягає у створенні такого генератора  гармонічних коливань, частота генерування якого змінюється за законом зміни модулюючого сигналу. Принципи побудови автогенераторів гармонічних коливань розглянуто у наступному підрозділі. Тут розглянемо лише принцип здійснення частотної модуляції у діючому LC-автогенераторі, зважаючи на те, що частота коливань, генерованих автогенератором, дорівнює резонансній частоті коливального кола, використаного в автогенераторі, яка, своєю чергою, визначається параметрами реактивних елементів (конденсаторів та котушок індуктивності).  Найчастіше для цієї мети застосовують варикапи, які являють собою закриті відповідним зміщенням р-n – переходи, бар’єрна ємність яких залежить від прикладеної напруги. На рис. 5.27 проілюстровано принцип здійснення частотної модуляції у схемі LC-автогенератора за допомогою варикапа С_v. Коливальне коло автогенератора утворюють котушка індуктивності L_к та послідовно з’єднані конденсатори С₁ і варикап С_v. Елементи L_др, С_р, R, E_зм відіграють допоміжну роль (забезпечують усунення небажаного впливу низькочастотного кола, в якому діє модулюючий сигнал s_мод(t), на високочастотне вихідне коло та створюють необхідне зміщення на варикап.

Рис.5.27. Здійснення частотної модуляції за допомогою варикапа

 

                Частота генерованих коливань дорівнює:

                                      .             (5.37)

                З виразу (5.37) видно, що частота w_г нелінійно залежить від ємності варикапа С_v, проте при невеликих змінах цієї ємності (DС_v/C_v<1) з певним наближенням можна прийняти:

                                    (5.38)

                Отже, у разі невеликих змін  ємності варикапа під дією модулюючого сигналу можна отримати пропорційну зміну частоти автогенератора .

                Як керований реактивний елемент у схемах частотних модуляторів також часто використовують т.зв. “реактивний транзистор”, який являє собою транзисторний каскад з реактивним зворотним зв’язком, за якого опір транзистора між колектором та емітером має реактивний характер (зсув фаз між струмом та напругою близький до 90⁰). Реактивного опір змінюють за допомогою напруги зміщення на базі транзистора. Під’єднавши реактивний транзистор до коливального кола автогенератора, змінюють резонансну частоту кола і, отже, здійснюють частотну модуляцію.

                Реактивний транзистор, як і варикап, забезпечує здійснення частотної модуляції без спотворень  лише за невеликих відносних значень девіації частоти.

                Недоліком частотних модуляторів є те, що частотну модуляцію супроводжує паразитна амплітудна модуляція, яка виникає внаслідок зміни модуля комплексного опору коливального кола при зміні частоти генерації.

                Для здійснення фазової модуляції треба побудувати схему, на виході якої фаза коливань змінюється пропорційно до модулюючого сигналу s_мод(t) стосовно лінійного закону y(t)=w₀t.

                Серед багатьох способів здійснення фазової модуляції виділимо один, який ґрунтується на тому, що фазомодульовані коливання можна розглядати як модульовані по частоті за законом, пропорційним до похідної від модулюючого сигналу.

                Звідси випливає, що для здійснення фазової модуляції можна використати частотний модулятор (ЧМ) спільно з диференціатором модулюючого сигналу S_мод(t), як показано на рис.5.28.

Рис.5.28. Здійснення фазової модуляції за допомогою частотного модулятора

 

                У схемах фазових модуляторів теж з’являється паразитна амплітудна модуляція, для усунення якої на виході модуляторів вмикають амплітудні обмежувачі.