高频电子电路6.1.ppt

6 1概述 6 2模拟乘法器 6 4抑制载波调幅波的产生和解调电路 第6章频谱变换电路 6 5混频器电路 6 3普通调幅波的产生和解调电路 6 6倍频器 调制的作用 调制的作用主要有2个作用1 在无线通信中 为了便于信号发射 天线不能太长 而只有当天线长度与波长相当时才能将电磁波辐射出去 将低频短的原始信息 如语音 调制到高频段 作用2 提高信道的利用率通过频域复用 如一个空间可传多个电台 通过先进的调制技术 如日益提高的上网速率 同学们将在 通信原理 课程中详细学习 调制解调在无线通信系统中的位置 1 调制 用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程 定义 信号 载波信号 等幅 高频振荡信号 正弦波 方波 三角波 锯齿波 调制信号 需要传输的信号 原始信号 语言 图像 密码 已调信号 已调波 经过调制后的高频信号 射频信号 2 解调 调制的逆过程 即从已调波中恢复原调制信号的过程 6 1概述 调制的分类 按调制信号来分模拟 信号 调制 本课程涉及的主要是此类调制 数字 信号 调制 通信原理 将详细介绍 按调制方法 载波表达式中携带信息的那个变量 来分振幅调制 利用载波的振幅变化携带信息 频率调制 利用载波的频率变化携带信息 相位调制 利用载波的相位变化携带信息 统称为 角度调制 将在本章后半部分介绍 调幅 调频 调相的波形示意 原始信息 t 调幅信号 调频信号 调相信号 5 振幅调制分三种方式 4 解调方式 补充 频率变换电路基础 非线性元件输入输出关系曲线 以二极管为例 i 根据二极管特性可画出i v曲线 非线性元件的特征 1 输出与输入量的非线性关系 非线性元件的静态电阻与动态电阻不一样 可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的 特征2 非线性元件的频率变换作用 注意Vs是余弦波的振幅 是一个常数 直流分量 2倍频分量 分别画出输入输出信号的频谱 输入信号频谱 输出信号频谱 可见信号经过非线性电路后频率发生了变换 2 非线性元件的频率变换作用 3开关函数分析法 返回 继续 补充乘法器电路分析 仿真 休息1 休息2 6 2模拟相乘器 等各种技术领域 模拟乘法器可应用于 4 3 1模拟相乘器的基本概念 模拟乘法器具有两个输入端 常称X输入和Y输入 和一个输出端 常称Z输出 是一个三端口网络 电路符号如右图所示 ux uy uz 理想乘法器 uz t kux t uy t 或Z kX Y 继续 返回 一 乘法器的工作象限 乘法器有四个工作区域 可由它的两个输入电压的极性确定 输入电压可能有四种极性组合 如果 两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为 单象限乘法器 一个输入信号适应两种极性 而一个只能是一种单极性的乘法器为 二象限乘法器 两个输入信号都能适应正 负两种极性的乘法器为 四象限乘法器 二 理想乘法器的基本性质 1 乘法器的静态特性 1 继续 返回 3 当X Y或X Y Z KX2或Z KX2 输出与输入是平方律特性 非线性 2 乘法器的线性和非线性 理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质 一般 当X或Y为一恒定直流电压时 Z KCY K Y 乘法器为一个线性交流放大器 当X和Y均不定时 乘法器属于非线性器件 2 当X C 常数 Z KCY K Y Z与Y成正比 线性关系 继续 返回 恒流源差动式电路 1 恒流源差动电路分析 输入输出电压关系 6 2 1模拟相乘器的基本单元电路 基本电路结构 是一个恒流源差分放大电路 不同之处在于恒流源管VT3的基极输入了信号uy t 即恒流源电流Io受uy t 控制 6 2模拟相乘器的基本单元电路 2 二象限变跨导模拟相乘器 ube1 ube2 ube3 由图可知 ux ube1 ube2 根据晶体三极管特性 VT1 VT2集电极电流为 VT3的集电极电流可表示为 可得 同理可得 式中 为双曲正切函数 继续 返回 uo 差分输出电流io为 可以看出 当ux 2UT时 ic1 ic2与近似成线性关系 可近似为 差分放大电路的跨导gm为 恒流源电流Io为 uy 0 输出电压uo为 由于uy控制了差分电路的跨导gm 使输出uo中含有uxuy相乘项 故称为变跨导乘法器 变跨导乘法器输出电压uo中存在非相乘项 而且要求uy ube3 所以只能实现二象限相乘 基本电路结构 VT1 VT2 VT3 VT4为双平衡的差分对 VT5 VT6差分对分别作为VT1 VT2和VT3 VT4双差分对的射极恒流源 二 吉尔伯特 Gilbert 乘法器 1 Gilbert乘法单元电路 是一种四象限乘法器 也是大多数集成乘法器的基础电路 继续 返回 工作原理分析 根据差分电路的工作原理 又因 输出电压 二 吉尔伯特 Gilbert 乘法器 ux uy uo 当输入为小信号并满足 继续 返回 仿真 而标度因子 Gilbert乘法器单元电路 只有当输入信号较小时 具有较理想的相乘作用 ux uy均可取正 负两极性 故为四象限乘法器电路 但因其线性范围小 不能满足实际应用的需要 2 具有射极负反馈电阻的Gilbert乘法器 使用射极负反馈电路Ry 可扩展uy的线性范围 Ry取值应远大于晶体管T5 T6的发射极电阻 即有 静态时 i5 i6 IoY 当加入信号uy时 流过Ry的电流为 ux uo 有 uy 返回 仿真 继续 uy 如果ux 2UT 52mV时 3 线性化Gilbert乘法器电路 具有射极负反馈电阻的双平衡Gilbert乘法器 尽管扩大了对输入信号uy的线性动态范围 但对输入信号ux的线性动态范围仍较小 在此基础上需作进一步改进 下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的原理电路 其中VD1 VD2 VT7 VT8构成一个反双曲线正切函数电路 返回 继续 ux ux uy uo 工作原理分析 VT7 VT8 Rx Iox构成线性电压 电流变换器 有 uo 而为二极管D1与D2上的电压差 即 返回 继续 仿真 UD1 UD2 休息2 休息1 利用数学关系 则上式可写成 1 代入 2 可得 其中标度因子 可见大大扩展了电路对ux和uy的线性动态范围 改变电阻Rx或Iox可很方便地改变相乘器的增益 4单片集成模拟乘法器 一 MC1496 MC1596及其应用 ux uy 1 内部电路结构 与具有射极负反馈的双平衡Gilbert相乘器单元电路比较 电路基本相同 仅恒流源用晶体管VT7 VT8代替 二极管VD与500电阻构成VT7 VT8的偏置电路 反偏电阻Ry外接在引脚 两端 可展宽uy输入信号的动态范围 并可调整标度因子K 2 外接元件参数的计算 uy 负反馈电阻Ry 且应满足 iy Ioy 返回 继续 若选择Ioy 1mA Uym 1V 峰值 由右图电路可得 当时 负载电阻Rc 引脚 端的静态电压 U6 U9 Ec Ioy Rc 若选U6 U9 8V Ec 12V 则有 标称值为3 9 偏置电阻R10 U6 U9 返回 继续 仿真 6 3振幅调制原理及特性 一 振幅调制信号分析 二 双边带信号 三 单边带信号 返回 1 设 载波信号 调制信号 那么调幅信号 已调波 可表达为 由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系 即有 即 式中ma为调制度 常用百分比数表示 1 AM调幅波的数学表达式 返回 6 3 1标准振幅调制 AM 信号分析 一般 实际中传送的调制信号并非单一频率的信号 常为一个连续频谱的限带信号 则 则有 其中 2 调幅信号波形 波形特点 1 调幅波的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致 2 调幅度ma反映了调幅的强弱程度 可以看出 一般m值越大调幅越深 返回 仿真 例题1 填空 t 1 由单一频率信号调幅 可见 调幅波并不是一个简单的正弦波 包含有三个频率分量 3 调幅波的频谱 返回 同样含有三部分频率成份 2 限带信号的调幅波 返回 由于 4 AM信号的产生原理框图 可见要完成AM调制 其核心部分是实现调制信号与载波相乘 仿真 返回 2 上 下边带的平均功率 3 在调制信号一周期内 调幅信号输出的平均总功率 4 边带功率 载波功率与平均功率之间的关系 5 调制波的功率 调幅波的功率浪费大 效率低 但AM波调制方便 解调方便 便于接收 如当100 调制时 ma 1 双边带功率为载波功率的1 2 只占用了调幅波功率的1 3 而当ma 0 5 Pc 8 9Pam 休息1 休息2 例题2 计算题 求 1 已调波的表达式 2 各个频率分量的调制系数ma1 ma2 3 边频功率 上下边频功率之和 与载波功率之比 例题2 解 在AM调制过程中 如果将载波分量抑制就形成抑制载波的双边带信号 简称双边带信号 它可以用载波和调制信号直接相乘得到 即 调制信号为单一频率信号 调制信号为限带信号的调制 6 3 2双边带 doublesidebandDSB 调幅信号 数学表达式 返回 2 波形与频谱 6 3 2双边带 doublesidebandDSB 调幅信号 1 DSB信号的包络正比于调制信号 2 DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性 即在调制信号负半周时 已调波高频与原载波反相 因此严格地说 DSB信号已非单纯的振幅调制信号 而是既调幅又调相的信号 3 DSB波的频谱成份中抑制了载波分量 全部功率为边带占有 功率利用率高于AM波 4 占用频带 仿真 返回 单边带 SSB 信号是由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分 即可成为单边带调幅信号 其单频调制时的表示式为 上边带信号 下边带信号 6 3 3单边带 singlesidebandSSB 信号 返回 1 SSB信号的性质 在现代电子通信系统的设计中 为节约频带 提高系统的功率和带宽效率 常采用单边带 SSB 调制系统 由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成 如 上边带信号 下边带信号 2 单边带调幅信号的实现 返回 1 滤波法 有三种基本的电路实现方法 滤波法 相移法和移相滤波法 例3已知调制信号频率范围为300Hz 4kHz 分别采用普通调幅 平均调幅指数Ma 0 3 双边带调幅和单边带调幅三种方式进行调制 如要求边带功率为10W 试求出每种调幅方式的频带宽度 发射总平均功率Pav及功率利用率解 普通调幅 由式 5 13 可得边带功率 故所以 双边带调幅 单边带调幅 6 4振幅调制电路 6 4 1低电平调幅电路 6 4 2高电平调幅电路 1 二极管调幅电路 2 集成模拟乘法器调幅电路 1 集电极调幅电路 返回 2 基极调幅电路 通常分为 6 4振幅调制电路 三种信号都有一个调制信号和载波的乘积项 所以振幅调制电路的实现是以乘法器为核心的频谱线性搬移电路 具体的说调制可分为 高电平调制 功放和调制同时进行 主要用于AM信号 低电平调制 先调制后功放 主要用于DSB SSB以及FM信号 6 4 1低电平调幅电路 低电平调幅电路常采用频率变换电路来实现 二极管调幅电路 集