Spínající AM modulátor

„Přijímač slaďujeme pomocí amplitudově modulovaného generátoru…“ No výborně, ale kde ho mám vzít? Na stole mám JDS6600, což je taková trochu pohroma, nicméně má to dva kanály a chodí to řekněme do 40MHz. Tak vysoko se dostat nepotřebuji, elektronkové přijímače mají typicky střední a dlouhé vlny, nicméně nejčastěji je třeba trefit mezifrekvenci, která typicky sedí mezi 450-480kHz. No a na to se dá použít konstrukce, kterou předkládám.

Požadavky na konstrukci

• musí to být jednoduché a levné
• musí to jít vyrobit na bastltisku
• mělo by to fungovat alespoň do 1MHz
• vyšší harmonické nosné nevadí (protože je vyřeší filtry v  přijímači)

Připouštím, že vyšší harmonické jsou v tomto ohledu velikým kompromisem, ale je to cena za jednoduchost. Samozřejmě můžete použít nějaký specializovaný IO násobící dva signály (případně takovou věc postavit ze součástek), což ale definitivně nebude ani levné a ani jednoduché (pokud to má za něco stát), takže jsem takové řešení hned na začátku zavrhla.

 

Na výstupu operačního zesilovače U1 je polovina napájecího napětí. Toto napětí je rozmítáno modulačním signálem přiváděným na AF_In. U1 pracuje v unity gain režimu (buffer), což implikuje modulační hloubku. Generátor bez problémů dá potřebné napětí, čili není nutné zvedat zisk. Jistě, mohla bych zpětnou vazbou zvednout zisk na 10× a současně stáhnout DC na In+ na 1/20 napájecího napětí, ale nechtěla jsem si zbytečně komplikovat život. Takto vzniká modulační signál s DC ofsetem, který se vede do R1, za kterým je pomocí Q1 stahován k zemi v rytmu nosné. Pomocí C7 je z něj odstraněna DC složka a pomocí  R7 je signál utlumen na úroveň lehce nad 0dBm. Signál je dále veden do bufferu v podobě emitorového sledovače aby se dosáhlo výstupní impedance cca 50Ω. Impedance vstupu nosné se též blíží 50Ω, vstupní impedance modulačního signálu se blíží 50kΩ.

Poznámky k zapojení

Následující kapitola obsahuje výpočet hodnot použitých součástek, pokud neplánujete redesign a současně vás nezajímá jakým způsobem způsobem se takovéto konstrukce navrhují, potom následující kapitolu přeskočte, neobsahuje nic užitečného.

Vstupní impedance modulačního zesilovače je dána děličem R1||R2=50kΩ, což je celkem obvyklá hodnota pro audio. Výstupní odpor je dán hodnotou R1, který omezuje kolektorový proud spínacího tranzistoru Q1. Tranzistor S9014 má β reálně kolem 400, pro otevření do saturace datasheet předpokládá bázový proud 5mA při napětí 0.84V. Předpokládám 20dBm na vstupu, což v 50Ω systému znamená cca 3V amplitudy. Pro 5mA je tedy potřeba 464Ω, potřebuji proud o něco větší, což znamená rezistor 330Ω, rozhodla jsem se udělat to ještě trochu citlivější, takže 270Ω. V tomto případě sem půjde ve špičce 8.6mA, přes R4 půjde 45mA, čili jsem se  snížení vstupní impedance rozhodla zanedbat. Čistě teoreticky by R4 měl být 57.87Ω, jenže ono tam v řadě nic moc není, navíc ten tranzistor je stejně vodivý jen v jednom směru (tomu by se dalo pomoci rychlou diodou), takže jsem se to nakonec rozhodla neřešit. Do úrovní to stejně mluvit nemůže, protože ten tranzistor pracuje ve spínacím režimu, no a nějaké zásadní odrazy to tam asi také nevyprodukuje.

Kolektorový proud Q1 je daný rezistorem R5. Maximální napětí na výstupu U1 je ½ napájecího napětí zvýšená o amplitudu modulačního signálu, tedy 8V, což omezuje kolektorový proud Q1 na 8mA, což dokonce převyšuje špičkový bázový proud Q1. Tranzistor je tedy bez problémů v saturaci. Výstupní napětí tedy chodí mezi 8V a nulou, případně 4V a nulou. Vstupní odpor emitorového sledovače Q2 je dán paralelní kombinací R8||R9, tedy cca 1800Ω. Q2 pracuje jako buffer, tedy napětí na vstupu odpovídá napětí na výstupu. Při hodnotě 6V (bez modulace) bude na výstupu cca 0.52V, což v 50Ω systému odpovídá 4.3dBm, přičemž předpokládám crest factor 50%. V realitě to bude méně, protože Q1 nemůže spínat symetricky, báze potřebuje určité napětí aby se tranzistor začal otevírat. Současně se tady bavíme o celém výkonu, pokud odfiltruji pouze základní, pak na ní bude pochopitelně méně. R7 je volen tak, aby na výstupu byl ještě nějaký použitelný výkon, ale současně Q2 nechodil do saturace. Na R8 je úbytek cca 2V, čili amplituda signálu za R7 musí být menší, 0.5V představuje vhodný kompromis.

Výstupní odpor je dán paralelní kombinací R11 a odporem mezi C-E tranzistoru Q2. Víme, že v emitoru Q2 bude cca 9.3V (Ub-Ube), čili emitorový proud Q2 bude cca 42mA (dán velikostí R11). Na Uce tranzistoru Q2 zbývá 2.7V, což při 42mA představuje odpor 63Ω. Výstupní impedance je tedy dána paralelní kombinací 220Ω||63Ω=49.5Ω. Bázový proud při tomto výpočtu zanedbávám, protože daný tranzistor má mít při Ic=40mA β=200, čili Ib bude zanedbatelný. Vzhledem k zanedbatelnému Ib není hodnota R10 nikterak kritickou, v podstatě by tam ten rezistor vůbec nemusel být.

Dosažené výsledky

Konstrukce sama je nezáludná, zapojení pracuje na první pokus. Zařízení jsem (vzhledem k relativně nízkým pracovním kmitočtům) postavila na bastltisku z kombinace SMT a THT součástek (preferovány SMT, THT se používají místo propojek). 

 

Zařízení viditelně nějakým způsobem moduluje, avšak modulace není zcela symetrická, vzhledem k použitému principu ani nemůže být. Na modulačním lichoběžníku je to jasně vidět, nicméně jedná se o jednoduchou pomůcku. Spektrum modulovaného signálu kolem základní nosné potom vypadá následovně:

 

Na vstupu spektrálního analyzátoru je řazen 10dB útlumový článek, čili indikované úrovně jsou o 10dB menší než je realita na výstupu modulátoru. Vidíme relikt nějakých vyšších harmonických modulačního signálu, avšak sám generátor má na druhé harmonické potlačení kolem -30dB, čili v tomto případě vidíme spíše relikt práce generátoru samotného než vlastního modulátoru, obecně výstup JDS6600 není příliš čistý. Zapojení samozřejmě není (a ani nemůže být) něčím úžasným, jedná se o levný doplněk (zařízení lze postavit do 100Kč, případně i ze šuplíkových zásob) k ne příliš povedenému generátoru, který však umožňuje slaďování běžných SV a DV rozhlasových přijímačů, jiné ambice zapojení nemá. Výskyt vyšších harmonických nosné je sice nepříjemný a vyžaduje určitou opatrnost (aby omylem nedošlo k naladění propusti na vyšší harmonickou), nicméně to je cena za jednoduchost konstrukce. Celé zapojení je postaveno na univerzální desce. Pro vstup nosné a výstup modulátoru používám SMA konektory, což je na jednu stranu overkill, nicméně tyto konektory jsou velice levné a snadno se montují na univerzální desku. Pro modulační vstup a napájení používám pinheader.