2017年1月3日火曜日

AM/DSB変調器(ギルバートセル乗算器(6TR構成)使用)

6石のBJT TR 2N3904を使ったギルバートセル乗算器[1]を使ったAM変調またはDSB変調器として動作できるAM/DSB変調器をLTspiceで構成し、PC上で設計段階での動作確認を行った。
問題なく変調が動作する設計事例[2]と、再現しない事例[3]を示す。

図1. AM変調とDSB変調のパラメトリック過渡解析 期待動作OK

図1. :
ベースバンド信号[1kHz], 尖頭電圧5[mV]のサイン波(正弦波)を使い、キャリア信号 RF 1[MHz],尖頭電圧5[mV]を入力。
ベースバンド信号電圧を底上げするDC電圧を0.0[mV]の時にDSB変調波が出力され、5[mV]の時に、変調指数1.0のAM変調波電圧が生成されることを確認した。
フィルタを使わなくても、スプリアス成分の大変少ない質の良い電波が生成された。


図1.1. AM変調とDSB変調のパラメトリック過渡解析 期待動作OK

図1. 1:
図1.1のFFT解析結果周波数軸を,キャリア周波数1[MHz]近傍で拡大した。
LSB波、USB波、キャリア信号が問題なく出力されている。

図2.1. AM変調の過渡解析 期待動作OK

図2.1. :
図1.1で、AM変調の場合についての結果を示した。
ベースバンド信号[1kHz], 尖頭電圧5[mV]のサイン波(正弦波)を使い、キャリア信号 RF 1[MHz],尖頭電圧5[mV]を入力。
問題無く、電波の質の良い、AM変調波出力が得られた。

図2.2. AM変調の過渡解析 期待動作OK

図2.2. :
図2.1のFFT解析結果周波数軸を,キャリア周波数1[MHz]近傍で拡大した。
LSB波、USB波、キャリア信号が問題なく出力されている。



図3.1. DSB変調の過渡解析 期待動作OK

図3.1. :
図1.1で、DSB変調の場合についての結果を示した。
ベースバンド信号[1kHz], 尖頭電圧5[mV]のサイン波(正弦波)を使い、キャリア信号 RF 1[MHz],尖頭電圧5[mV]を入力。
問題無く、電波の質の良い、DSB変調波出力が得られた。


図3.2. DSB変調の過渡解析 期待動作OK

図3.2. :
図3.1のFFT解析結果周波数軸を,キャリア周波数1[MHz]近傍で拡大した。
LSB波、USB波が問題なく出力されている。
微小なキャリア信号電圧が見られるが、実用上問題ない信号レベル。



課題:
(1)入力電圧のダイナミックレンジの確認
(2)AC特性・周波数特性の確認(利得と上限周波数、位相特性)
(3)BIAS電圧の設定と差動電圧出力取り出しの回路構成と動作確認


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以下は、AM/DSB変調が再現しない事例
いずれもほとんど変調がかかっていない。(いわゆる無変調)

原因:
オリジナルのギルバートセル乗算器は、入力ポート2個とも、±差動電圧を入力してアナログ乗算回路を構成するが、この回路図はおそらく記載ミスで、回路図が差動電圧を入力する構成になっていないことが判明した
また、ギルバートセルのオリジナルは、下にエミッタ電流を吸い込む定電流源があるが、これを抵抗ですませている課題がある。(これはワイドラー(Widler)定電流回路で実現可能。)

図4.1 「無変調」状態の動作例 動作NG

図4.2 「無変調」状態の動作例   動作NG

図4.2 に周波数軸を拡大し、1[MHz]近傍をみると、極めて弱い微小な変調信号が見えるが、ほとんど変調はかかっていない。

参考資料:
[1] [2] トランジスタ技術 2016 LTspice連載記事 「ギルバートセル乗算器」

[3] インターネット上の教育サイト;
     "Basics of the Gilbert Cell | Analog Multiplier | Mixer | Modulator"

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