Простой амплитудный модулятор на основе ограничителя с плавным порогом

Одной из самых популярных схем контроля амплитуды генераторов является ограничитель с плавным порогом (Рисунок 1а). При низком входном напряжении V_OUT(t) диоды D₁ и D₂ закрыты. В результате, весь входной ток V_IN(t)/R₁ идет через резистор обратной связи R₂, и выходное напряжение равно

Эта формула описывает линейную часть передаточной характеристики ограничителя, имеющую наклон –(R₂/R₁).

а) б)
Рисунок 1.	Основу этого ограничителя с плавным порогом составляют диоды в цепи обратной связи (а). Когда диоды начинают проводить ток, на передаточной характеристике появляются точки перегиба (б).

Когда же V_OUT(t) начинает расти вверх, напряжение V_A становится более положительным, удерживая диод D₁ в закрытом состоянии, а V_B становится более отрицательным. Затем, если продолжить снижать напряжение V_IN(t), выходное положительное напряжение достигнет уровня, при котором напряжение V_B становится равным примерно 0.7 В, и диод D₂ открывается. В этом случае уровень положительного ограничения V_L+ равен

где Vg – прямое падение напряжения на диоде, равное приблизительно 0.7 В. Если V_IN(t) уменьшится ниже этого значения, напряжение V_OUT(t) увеличится, ток, идущий в диод D₂ вырастет, и напряжение V_B остается примерно на уровне  –Vγ. Таким образом, ток через R₅ остается постоянным, а дополнительный ток диода течет через резистор R₆. По сути, R₆ оказывается включенным параллельно резистору обратной связи R₂, и, если пренебречь прямым сопротивлением диода, коэффициент усиления A_V в области положительного ограничения будет равен

Заметим, что для того, чтобы наклон передаточной характеристики в области ограничения был небольшим, сопротивление резистора R₆ следует выбирать низким. Передаточную характеристику для положительного напряжения V_IN(t) или отрицательного V_OUT(t) можно получить способом, аналогичным описанному выше. Легко видеть, что для положительного напряжения V_IN(t) диод D₁ играет ту же роль, что и диод D₂ для отрицательного V_IN(t). Следовательно, уровень отрицательного ограничения V_L– равен

а наклон передаточной характеристики в области отрицательного ограничения определяется формулой

Обратите внимание, что с увеличением сопротивления R₂ усиление в линейной области растет, поэтому уровни порогов V_L+ и V_L– остаются неизменными. Если R₂ удалить из схемы, ограничитель превращается в компаратор.

Таким образом, схема на Рисунке 1 работает как ограничитель с плавно перестраиваемыми порогами V_L+ и V_L–, уровни которых зависят от выбора соответствующих сопротивлений резисторов и опорных напряжений ±V_REF. Отсюда следует, что для изменения уровней ограничения можно использовать управляющее напряжение. На основе этой конфигурации сделан простой амплитудный модулятор. На Рисунке 2 изображен генератор с фазосдвигающей RC цепью, в котором ограничитель с плавным порогом включен в состав усилителя напряжения. Вместо показанного на схеме можно использовать другой RC генератор, или же генератор с LC цепочкой. Изменять опорные напряжения V_REF и –V_REF можно с помощью входного модулирующего напряжения V_M(t). Это напряжение динамически регулирует уровни насыщения на выходе генератора. Амплитуда выходного напряжения и индекс модуляции определяются соотношением сопротивлений резисторов ограничителя.

Рисунок 2.	Включив ограничитель с плавным порогом в цепь обратной связи генератора на основе фазосдвигающей цепочки, можно сделать простой амплитудный модулятор.

На Рисунке 3 показаны формы входного модулирующего сигнала V_M(t) и модулированного выходного сигнала генератора V_OUT(t), полученные при использовании компонентов с номиналами, изображенными на Рисунке 2. Входной модулирующий сигнал V_M(t) имеет синусоидальную форму с амплитудой 3 В, а резистор R₉ добавляет напряжение смещения 5 В. Схема работает подобно четырехквадрантному аналоговому умножителю.

а) б)
Рисунок 3.	Подача на вход схемы Рисунок 2 управляющего напряжения VM(t) (а) позволяет получить модулированное выходное напряжение VOUT(t) (б).

Ссылки

1. Sedra, Adel S, and Kenneth C Smith, Microelectronic Circuits: Fourth Edition, ISBN 0-19-511663-1, 1998, Oxford University Press, New York.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TL081