Ringmodulator

Ein Ringmodulator, auch als Ringmischer, Produktmodulator oder Balance-Modulator bekannt, ist eine elektronische Vorrichtung, die zu den sogenannten Modulatoren oder Mischern gehört. Zwei eingehende Wechselspannungen u_HF und u_LO werden miteinander multipliziert und man erhält am Ausgang die Spannung u_ZF:

$u_{ZF} = u_{HF} \cdot u_{LO}$

Ringmodulator

Der Name kommt daher, dass Halbleiter- oder Röhrendioden in einem Ring angeordnet sind (siehe Schaltbild).

Diese Modulatorart wird zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale mit unterdrücktem Träger verwendet. Ein Ringmodulator besteht aus vier im Ring geschalteten Dioden. Im Unterschied zur Gleichrichterbrückenschaltung zeigen bei einem Ringmodulator die Durchlassrichtungen der Diode im Ring alle in eine Richtung. Alle vier Dioden müssen dieselben Kenndaten besitzen (Diodenquartett).
Verwendung findet so ein Modulator zum Beispiel in Transceivern bei Funkamateuren. Er ist im Fachhandel als fertiges Bauteil mit 6 Anschlüssen (HF+, HF-, LO+, LO-, ZF+ und ZF-) erhältlich.

Funktionsweise

Ausgangssignal u_AM, nach dem Mischen einer niederfrequenten Sinus- mit einer hochfrequenten Rechtecksspannung

Der Lokaloszillator liefert eine (zumeist sinus- oder rechteckförmige) Wechselspannung mit der Amplitude ${\hat u}_{LO}$. U_HF und U_ZF sind (zumeist) sinusförmige Spannungen mit den Amplituden ${\hat u}_{HF}$ bzw. ${\hat u}_{ZF}$.

Die Spannung des Lokaloszillators legt fest, welche Dioden leiten. Hierbei gilt im Normalbetrieb, dass ${\hat u}_{LO} \gg {\hat u}_{HF} > {\hat u}_{ZF}$.

Bei einem Übertrager mit einem Übertragungsverhältnis von 1:1 (d.h. L₁=L_2a=L_2b und L₄=L_3a=L_3b) gilt hierbei:

Bedingung	Ergebnis
$U_{LO} \ge {2 \cdot U_F}$	V1 und V2 leiten
${-2 \cdot U_F} < U_{LO} < {2 \cdot U_F}$	keine Diode leitet
$U_{LO} < {-2 \cdot U_F}$	V3 und V4 leiten

Wobei U_F die Durchlassspannung (englisch: forward-voltage) der Dioden ist. Da Schottky-Dioden im Gegensatz zu pn-Dioden eine mit $U_F \approx 0{,}3 \, {\rm V}$ geringere Durchlassspannung besitzen werden immer Schottky-Dioden verwendet.

Ströme bei positiver LO-Spannung U_LO

Erstmal denken wir uns die Dioden weg. Der Oszillator für den Träger ist an die Mittelanzapfungen der Sekundärwicklung von T_HF (L₂) und der Primärwicklung von T_ZF (L₃) angeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Potenzial der Sekundärwicklung von T_HF positiv und die Primärwicklung von T_ZF negativ. Schaltet man die vier Dioden hinzu, so fließt der Strom aus der positiven Spannung von T_HF über V₁ und V₂ zur aktuell negativen Wicklung von T_ZF.

Ist die Primärwicklung von T_HF negativ und die Sekundärwicklung von T_ZF positiv, so geschieht dasselbe, nur dass die Sache dann über V₃ und V₄ läuft.

Funktionsschaltbild eines Ringmodulators

Das Resultat ist, dass man kein Ausgangssignal U_ZF (bzw. keinen Träger am Ausgang des Modulators) hat, welches durch die LO-Spannung verursacht wird, da sich die Ströme über L_2a und L_2b sowie L_3a und L_3b aufheben.

Da der Strom i_D nur über die leitenden Dioden fließen kann, legen die LO-Ströme auch die Flussrichtung von i_D und damit das Vorzeichen von i_D am Ausgang fest.

Man unterscheidet bei Mischern grundsätzlich zwischen Aufwärts- und Abwärtsmischern. Beim Aufwärtsmischer wird am Eingang ein ZF-Signal s_ZF zugeführt und mit dem Lokaloszillatorsignal s_ZO multipliziert. Beim Abwärtsmischer wird am Eingang ein HF-Signal s_HF und mit dem Lokaloszillatorsignal s_ZO multipliziert.

Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Ein Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Die rechts dargestellte Schaltung erzeugt an der Sekundärwicklung von T_ZF ein sogenanntes DSB-Signal U_ZF (U_AM genannt, beide Seitenbänder des modulierten Trägers, jedoch nicht diesen selbst), welches zum Beispiel über eine Senderendstufe einer Antenne zugeführt wird. Ein SSB-Signal (nur ein Seitenband ohne Träger) erhält man, wenn man ein SSB-Filter hinter den Modulator schaltet.

Ringmodulator als Abwärtsmischer

Beim Abwärtsmischer (englisch: downconverter) wird das Eingangssignal U_HF mit der Frequenz f_HF mit Hilfe der Lokaloszillatorspannung U_LO mit der Frequenz f_LO auf die Spannung U_ZF mit der sog. Zwischenfrequenz f_ZF gewandelt. Hierbei gilt:

$f_{ZF} = \left| f_{HF} - f_{LO} \right|$

Das Ausgangssignal wird mit Hilfe eines RLC-Bandpasses am Ausgang von Frequenzanteilen befreit, die bei der Umwandlung entstehen.

Sonstiges

Innenschaltung eines symmetrischen Mischers als Ersatz eines Ringmischers

In früheren Jahrzehnten wurden Ringmodulatoren auch gelegentlich dazu verwendet, um eine Gleichspannung in eine ihr proportionale Wechselspannung, die man wegen der fehlenden Nullpunktsdrift von Wechselstromverstärkern besser mit exakt definiertem Faktor verstärken kann, umzuwandeln (siehe Chopper-Verstärker). Eine solche Anordnung kam zum Beispiel bei der Steuerung der Fernrakete V2 zum Einsatz.

Ringmodulatoren schwächen das Signal und werden deshalb im Regelfall durch doppelt symmetrische Brückenschaltungen wie den SO42P ersetzt, der auch eine Signalverstärkung bewirkt.

Für die meisten Anwendungszwecke ist die Ringmodulatorschaltung seit langem obsolet, da man mit integrierten Schaltungen schon seit etwa 1960 hervorragende analoge Multiplizierer oder Mischer mit niedriger Verzerrung und guter Unterdrückung der Eingangssignale herstellen kann. Obwohl also meist kein Diodenring und auch keine Transformatoren mehr verwendet werden, wird an der alten Bezeichnung festgehalten. Ringmodulatoren waren wichtige Werkzeuge der Elektronischen Musik. Im Gegensatz zu den anderen Anwendungen liegen dabei Träger und Modulator im selben Frequenzbereich, so dass beim unteren Seitenband negative Frequenzen auftreten können. "Ringmodulatoren" werden später oft in elektronischen Musikinstrumenten, besonders in Synthesizern, eingesetzt. Aufgrund der nichtharmonischen Obertoncharakteristik kann man aus einfachen Signalen durch Ringmodulation beispielsweise glockenähnliche Klänge erzeugen.

Schottkydioden-Ringmischer SBL-1 für einen Oszillatorpegel von +7 dBm und f_in=1-500 MHz mit maximal 50 mW.

Im Amateurfunk werden heute noch Ringmodulatoren als sogenannte High-Level-Mischer mit LO-Pegeln von +7 dBm (1,41 V_ss) bis +23 dBm (8,91 V_ss) in großsignalfesten Empfängern und Transceivern eingesetzt. Bekannte Beispiele von High-Level-Mischern sind die Typen SBL-1(H), IE-500 oder TUF-1(H).

Einzelnachweise

Weblinks

Datenblatt SBL-1

 Commons: Ring modulation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Commons: Ring modulator (effect unit) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien