Erzeugung von FM-Trägerwellen

Q2 und die Schaltung darum herum bilden einen Colpitts-Oszillator . Dies macht sich die Tatsache zunutze, dass ein Transistor in Basisschaltung eine Spannungsverstärkung vom Emitter zum Kollektor haben kann. Betrachten Sie diese einfache Schaltung:

Wenn IN so vorgespannt ist, dass OUT nahe der Mitte seines Bereichs liegt, verursachen kleine Spannungsänderungen in IN große Spannungsänderungen in OUT. Die Verstärkung ist teilweise proportional zu R1. Je höher R1, desto größer ist die resultierende Spannungsänderung aus einer kleinen Stromänderung. Beachten Sie auch, dass die Polarität erhalten bleibt. Wenn IN ein wenig nach unten geht, geht OUT viel nach unten.

Ein Colpitts-Oszillator nutzt diese Verstärkung von mehr als Eins eines Verstärkers mit gemeinsamer Basis aus. Anstelle der Last R1 wird ein paralleler Schwingkreis verwendet. Ein Parallelresonanztank hat eine niedrige Impedanz, außer am Resonanzpunkt, an dem er theoretisch eine unendliche Impedanz hat. Da die Verstärkung des Verstärkers von der mit dem Kollektor verbundenen Impedanz abhängt, hat er bei der Resonanzfrequenz eine große Verstärkung, aber diese Verstärkung fällt außerhalb eines schmalen Bandes um diese Frequenz schnell unter 1.

Bisher erklärt das Q2, C4 und L1. C5 speist einen Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers in Basisschaltung von OUT nach IN. Da die Verstärkung am Resonanzpunkt größer als eins ist, bringt dies das System zum Schwingen. Ein Teil der Änderung in OUT erscheint bei IN, was dann verstärkt wird, um eine größere Änderung in OUT zu bewirken, die zu IN zurückgeführt wird usw.

Jetzt kann ich Sie denken hören, aber die Basis von Q2 ist nicht wie im obigen Beispiel an eine feste Spannung gebunden . Was ich oben gezeigt habe, funktioniert bei DC, und ich habe DC verwendet, um es zu erklären, weil das einfacher zu verstehen ist. In Ihrer Schaltung müssen Sie darüber nachdenken, was bei Wechselstrom passiert, insbesondere bei der Schwingungsfrequenz. Bei dieser Frequenz ist C3 kurzgeschlossen. Da sie an eine feste Spannung gebunden ist, wird die Basis von Q2 im Wesentlichen auf einer festen Spannung vom Standpunkt der Oszillationsfrequenz gehalten . Beachten Sie, dass bei 100 MHz (in der Mitte des kommerziellen FM-Bands) die Impedanz von C2 nur 160 mΩ beträgt, was die Impedanz ist, mit der die Basis von Q2 konstant gehalten wird.

R6 und R7 für ein grobes DC-Bias-Netzwerk, um Q2 nahe genug an der Mitte seines Betriebsbereichs zu halten, damit alle oben genannten Punkte gültig sind. Es ist nicht besonders schlau oder robust, wird aber wahrscheinlich mit der richtigen Wahl von Q2 funktionieren. Beachten Sie, dass die Impedanzen von R6 und R7 um Größenordnungen höher sind als die Impedanz von C3 bei der Schwingungsfrequenz. Sie sind den Schwingungen völlig egal.

Der Rest der Schaltung ist nur ein gewöhnlicher und nicht besonders cleverer oder robuster Verstärker für das Mikrofonsignal. R1 spannt das (vermutlich) Elektretmikrofon vor. C1 koppelt das Mikrofonsignal in den Q1-Verstärker, während DC blockiert wird. Dadurch können die DC-Vorspannungspunkte des Mikrofons und von Q1 unabhängig sein und sich nicht gegenseitig stören. Da selbst HiFi-Audio nur bis 20 Hz heruntergeht, können wir mit dem DC-Punkt machen, was wir wollen. R2, R3 und R5 bilden ein grobes Bias-Netzwerk, das gegen die Last von R4 arbeitet. Das Ergebnis ist, dass das Mikrofonsignal verstärkt wird, wobei das Ergebnis am Kollektor von Q1 erscheint.

C2 koppelt dann dieses Audiosignal in den Oszillator. Da die Audiofrequenzen viel niedriger als die Schwingungsfrequenz sind, stört das Audiosignal, das durch C2 läuft, effektiv den Arbeitspunkt von Q2 ein wenig. Dies ändert die vom Tank gesehene Antriebsimpedanz geringfügig, was die Resonanzfrequenz, mit der der Oszillator läuft, geringfügig ändert.

In diesem Schema ist Q1 ein Audioverstärker der Klasse A mit einer Verstärkung von etwa 50-100. Es wird verwendet, um die Oszillatorstufe anzutreiben – ich war noch nie sehr gut darin, Oszillatortypen zu erkennen [es stellt sich heraus, dass Q2 ein Colpitts-Oszillator ist] mit C4/L1 bei ~110 MHz. Wenn ich mich recht erinnere, erhöht C5 den Miller-Effekt, um Q2 in einen instabilen, selbstoszillierenden Zustand zu bringen.

BEARBEITEN : Siehe die Antwort von Kevin White , wie die Modulation in dieser Schaltung funktioniert.

Q2 ist als sogenannter Colpitts-Oszillator konfiguriert. C5 führt das Signal vom Kollektor zum Emitter. Eine wichtige Komponente in einem Colpitt-Oszillator ist ein zweiter Kondensator, der nicht als physische Komponente existiert und die Emitter-Basis-Kapazität von Q2 ist.

Wie Sie bereits erwähnt haben, bildet der LC-Tank einen Resonanzkreis bei der Übertragungsfrequenz.

Um einen Oszillator herzustellen, braucht es jedoch mehr als nur einen Schwingkreis, er braucht einen Verstärker, um die Verluste aufgrund des Widerstands der Induktivität und der Tatsache, dass ein Teil der Leistung abgestrahlt wird, auszugleichen.

Der Transistor Q2 bildet einen Verstärker, indem er einen Teil des Signals durch C5 zum Emitter leitet, eine verstärkte Version des Signals erscheint dann am Kollektor zurück in den LC-Tank. Dieses Signal wird dann zum Emitter zurückgeführt, um weiter verstärkt zu werden, und so weiter.

Dies wird als positive Rückkopplung bezeichnet, und das Signal steigt weiter an, bis es durch etwas wie das Erreichen der Amplitude der Stromschiene oder eine Nichtlinearität in Q2, die die Amplitude begrenzt, begrenzt wird. Es braucht nur ein winziges Signal, um die Dinge in Gang zu bringen, und die Schwingungen bauen sich schnell auf.

Wie fangen die Dinge an? Wie Martin sagt, kann es von der Störung ausgehen, die beim Einschalten der Stromversorgung verursacht wird, aber das ist nicht notwendig. Jede praktische elektronische Schaltung erzeugt sogenanntes Rauschen (z. B. das Rauschen im Hintergrund von Audio). Auch wenn dies nur wenige Millionstel Volt sind, wird es sich so aufbauen, wie ich es im vorherigen Absatz beschrieben habe.

Was macht Q1?

Q1 verstärkt das Signal vom Mikrofon auf einen Pegel von 10 oder 100 Millivolt, der dem Oszillator Q2 zugeführt wird. Obwohl ich angegeben habe, dass die Oszillationsfrequenz durch den LC-Tank bestimmt wird, wird sie auch durch die Eigenschaften des Transistors Q2 beeinflusst. Wenn die Eingangsspannung von Q1 an Q2 angelegt wird, ändert sie ihre Eigenschaften geringfügig und verändert die Frequenz der Oszillation, die FM verursacht.

Es wird auch die Amplitude der Oszillation variieren und eine Amplitudenmodulation (AM) verursachen, aber ein FM-Empfänger wird dies ignorieren.

In Bezug auf den Start der Oszillatorschaltung vermute ich, dass C3 der wichtige Teil ist. Im ersten Moment, in dem Strom angelegt wird, ist C3 im Grunde ein Kurzschluss und schaltet Q2 ein. Dies liefert Energie für die Anfangsschwingung. C5 liefert dann eine positive Rückkopplung, um die Oszillation aufrechtzuerhalten.