Ringmodulator

Ein Ringmodulator, auch als Ringmischer, Produktmodulator oder Balance-Modulator bekannt, ist eine elektronische Schaltung, die als symmetrischer Mischer in Überlagerungsempfängern und zur Amplitudenmodulation verwendet wird. Zwei eingehende Wechselspannungen u_x und u_y werden miteinander multipliziert und man erhält am Ausgang die Spannung u_a:

Ringmodulator mit Bandpass am Ausgang

$u_\mathrm {a} = u_\mathrm {x} \cdot u_\mathrm{y}$

Der Name kommt daher, dass Halbleiter- oder Röhrendioden in einem Ring angeordnet sind (siehe Schaltbild). Im Unterschied zur Gleichrichterbrückenschaltung zeigen bei einem Ringmodulator das Schaltsymbol aller Dioden im Ring in eine Richtung. Alle vier Dioden müssen dieselben Kenndaten besitzen (Diodenquartett).

Funktionsweise

Signale am Ringmodulator bei Ansteuerung mit Rechteckspannung

Wenn für das Signal u_y ein Rechteck mit großer Amplitude gegenüber u_x gewählt wird, ergibt sich eine deutlich einfachere Betrachtung Die Spannung von u_y legt fest, welche Dioden leiten. Hierbei gilt im Normalbetrieb, dass ${\hat u}_\mathrm{y} \gg {\hat u}_\mathrm{x} > {\hat u}_\mathrm{a}$.

Bei einem Übertrager mit Mittelanzapfung und einem Übertragungsverhältnis von 1:1 (d.h. L₁=L_2a+2b und L₄=L_3a+3b) gilt hierbei:

Bedingung	Ergebnis
$U_\mathrm {y} \ge {2 \cdot U_F}$	V1 und V2 leiten
${-2 \cdot U_\mathrm{F}} < U_\mathrm{y} < {2 \cdot U_\mathrm{F}}$	keine Diode leitet
$U_\mathrm{y} < {-2 \cdot U_\mathrm{F}}$	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 $U_\mathrm{F} \approx 0{,}3 \, {\rm V}$ geringere Durchlassspannung besitzen, werden immer Schottky-Dioden verwendet.

Ströme im Ringmodulator

Weisen die Spannung u_y und der Strom i_y einen positiven Wert auf, fließt über die Mittelanzapfung von T_1/2 zugleichen Teilen ein Strom über die Wicklungen L_2a und L_2b, so das die Dioden V₁ und V₂ leiten. Danach gelangt der Strom zu T_3/4, bei er über die Mittelanzapfung gegen Masse abfließt. Sowohl bei T_1/2 als auch bei T_3/4 wird keine Spannung induziert, da die Ströme in entgegengesetzte Richtung fließen und die damit verbundenen Magnetfelder sich neutralisieren.

$i_{L\mathrm{3a}} = i_{L\mathrm{2a}} = -\frac{1}{2} \, i_y$

$i_{L\mathrm{3b}} = i_{L\mathrm{2b}} = \frac{1}{2} \, i_y$

$i_{L\mathrm{3a}} = - i_{L\mathrm{3b}}\,$

Nun wird über die Wicklung L₁ von T_1/2 ein Strom i_x eingespeist. Damit gilt:

$i_{L\mathrm{3a}} = i_{L\mathrm{2a}} = \frac{1}{2} \, i_y + i_\mathrm{x}$

$i_{L\mathrm{3b}} = i_{L\mathrm{2b}} = -\frac{1}{2} \, i_y + i_\mathrm{x}$

Durch Gegenüberstellung der Ströme ergibt sich neben dem Gegentaktsignal auch ein Gleichtaktanteil (GL).

$i_{L\mathrm{3GL}} = \frac{i_{L\mathrm{3a}} + i_{L\mathrm{3b}}}{2} = i_\mathrm{x}$

Da die Überlagerung der Ströme in den beiden Wicklungshälften von T_3/4 eine Wert ungleich null ergibt, fließt auf der Ausgangsseite L₄ ebenfalls Strom i_a und eine Spannung wird induziert.

$i_\mathrm{a} = i_\mathrm{x}\,$

Funktionsschaltbild eines Ringmodulators mit Bandpass am Ausgang

Nun wechselt die Rechteckspannung u_y ihre Polarität (i_y ebenfalls), dann leiten die Dioden V₃ und V₄. Nach den Rechenschritten analog der vorangegangenen Analyse ergibt sich:

$i_\mathrm{a} = - \, i_\mathrm{x}$

Somit findet bei Rechteckspannung eine einfache Form der Multiplikation statt:

$i_\mathrm{a} = \sgn {\left(u_\mathrm{y} \right)} \, i_\mathrm{x}$

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_LO multipliziert. Beim Abwärtsmischer wird am Eingang ein HF-Signal s_HF und mit dem Lokaloszillatorsignal s_LO multipliziert.

Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Ein Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Die rechts dargestellte Schaltung erzeugt an der Sekundärwicklung von T_ZF ein sogenanntes Doppel-Seitenband-Signal U_ZF, das beide Seitenbänder des modulierten Trägers enthält, jedoch nicht diesen selbst. Daraus lässt sich mit Hilfe eines trennscharfen Filters ein SSB-Signal herstellen.

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:

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

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

Anwendungen

Innenschaltung einer Gilbertzelle 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.

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).

Ansonsten finden Ringmodulatoren nur noch selten Einsatz in der Funktechnik und wurden durch andere Schaltungen verdrängt. Im Besonderen sei dabei die Gilbertzelle erwähnt, der einen kostengünstigere und dennoch hochwertigen Mischer darstellt. Als direkter Nachfolger kann der passive FET-Mischer verstanden werden, der durch bessere Kenndaten überzeugt.

Weblinks

Datenblatt SBL-1

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

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