电子系统设计—模拟

1、 内 容 1 放大器电路 1.1设计放大器时应考虑的几个问题 1.2常用放大器原理及特点 2 正弦振荡器电路 2.1振荡器的主要性能指标 2.2常有振荡器的原理与特点 3 调制与解调器原理 3.1幅度调制与解调原理 3.2乘法器实现电路介绍 3.3频率调制与解调原理 4 PLL原理与应用 5 频率合成技术介绍 1 放大器电路 1.1设计放大器时应考虑的几个问题 1）工作频率与功率 低频小信号放大；低频功率放大；高频小信号放大；高 频功率放大； 2）工作带宽 频带放大与宽带放大 3）运算放大器的增益带宽积 4）放大器的级间匹配问题 5）输入输出阻抗 6）放大器的噪声问题 1.2常用放大器的原理与

2、特点常用放大器的原理与特点 1.2.1 小信号放大器 1）BJT小信号放大器三种基本组态放大器 电压增益：电压增益： be Lc )/( r RR 输入电阻：输入电阻： beb /rR 输出电阻：输出电阻： c R )/)(1( )/()1( Lebe Le RRr RR )/)(1(/ Lebeb RRrR 1 )/( / bebs e rRR R be Lc )/( r RR 1 / be e r R c R 频率响应：频率响应： 共发射极共发射极共集电极共集电极 共基极共基极 差差良良 良良 2） FET小信号放大器三种基本放大电路的性能比较小信号放大器三种基本放大电路的性能比较 组态对

3、应关系：组态对应关系： CE BJTFET CS CCCD CBCG BJTFET 电压增益：电压增益： be Lc )/( r RR )/)(1( )/()1( Lebe Le RRr RR be Lc )/( r RR CE： CC： CB： )/( Ldm RRg )/(1 )/( Lm Lm RRg RRg )/( Ldm RRg CS： CD： CG： beb /rR 输出电阻：输出电阻： c R )/)(1(/ Lebeb RRrR 1 )/( / bebs e rRR R 1 / be e r R c R 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 BJTFET 输入电

4、阻：输入电阻： CE： CC： CB： CS： CD： CG： )/( g2g1g3 RRR m 1 / g R )/( g2g1g3 RRR CE： CC： CB： CS： CD： CG： d R m 1 / g R d R 3）小信号放大器静态点的选取）小信号放大器静态点的选取 （1）小信号意味着什么? （2）静态点的意义 放大器正常工作的基础； （3）静态点与增益 4）差动放大器特点）差动放大器特点 （1）电路结构完全 对称，零漂抑制能力 强 （2）差模小信号范 围大，Vid28mv （3）双电源供电， 可使静态时，VB， 实现零输入。从而避 免有静态电流流过信 号源。 ui1 +UCC

5、 RC1 T1 RB1 RC2 T2 RB2 ui2 RE UEE uo ud uc 5）高频小信号放大器 （1）单调谐放大器 1）工作原理 2）特点 （2）集中选频放大器 4 5 1 2 3 Rb1 Rb2 Re yL Cb Ce C B1 B2 VT L Ec 6）运算放大器）运算放大器 （1）集成运放的组成及特点： 组成：差动输入,中间放大,推挽输出,偏置电路和 附加电路 输入级：差动放大,高增益,直接耦合,高输入电阻 输出级：OCL电路,偏置电路为恒流源电路（及各种 变形电路）,低输出阻抗 附加电路：双端输出单端输出，电平位移零输 入零输出，过载保护电路 （2）典型应用电路 1.2.2

6、功率放大器 1）分类 （1 1）甲类功放导通角）甲类功放导通角360360度度 （2 2）乙类功放导通角）乙类功放导通角180180度度 （3 3）甲乙类功放导通角大于）甲乙类功放导通角大于180180度度 (4)(4)丙类功放丙类功放 导通角小于导通角小于180180度度 2)常有的电路形式及特点 电路的结构特点：电路的结构特点： vi -VCC T1 T2 +VCC RL iL 1. 由由NPN型、型、PNP型三极型三极 管构成两个对称的射极管构成两个对称的射极 输出器对接而成。输出器对接而成。 2. 双电源供电。双电源供电。 3. 输入输出端不加隔直电输入输出端不加隔直电 容。容。 T1

7、、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。 交越失真：交越失真：输入信号输入信号 Vi在过零前后，输出信号出现的失真称为交越失在过零前后，输出信号出现的失真称为交越失 真。真。 克服的方法：提供静态偏置，使克服的方法：提供静态偏置，使T1,T2工作于甲乙类工作于甲乙类 (1) OCL电路电路 (2) OTL电路电路 电路特点电路特点 1. 单电源供电；单电源供电； 2. 输出加有大电容。输出加有大电容。 0.5VCC RL vi T1 T2 +VCC C A vL +- VC 实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路 调

8、节调节R,使静态使静态 VAQ=0.5VCC D1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的 电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正 向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。 Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ， 射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起 限流保护作用。限流保护作用。 D1 D2 vi +VCC RL T1 T2 T3 C R B Re1 Re2 b1 b2 A (3) 谐振功率放大器（窄带高频功放） 晶晶体体管管： 大大功功率率晶晶体体管管，能能承承受受高高电电压压，大大电电流流， T f 一一般般工工作作 时时发发射射极极反反偏偏(C 类类)； 输输入入激激励励电

9、电路路： 提提供供所所需需信信号号电电压压； （1）滤滤波波选选频频，(2)阻阻抗抗匹匹配配。 + ub - Rp C L + uCE - ic EC UBB (b) 等效电路等效电路 + uc1 - UBB C EC L+ uS - + ub - (a) 原理电路原理电路 1）高效；）高效；2）是无线通信的核心电路之一；）是无线通信的核心电路之一； 2 正弦振荡器 2.1 正弦振荡器的主要性能指标 1）频率稳定度 2）输出频率范围 3）频率分辨率 4) 4) 频谱纯度频谱纯度 2.2 常用振荡器电路原理与特点 1) 分类 正弦波振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感正弦波振荡器按其反馈网络的不

10、同，可分为互感 耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器 三种类型。三种类型。 2)互感耦合振荡器互感耦合振荡器 互感耦合振荡器有三种形式：互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调基电路、调集电调集电 路路和和调发电路调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、，这是根据振荡回路是在集电极电路、 基极电路和发射极电路来区分的。基极电路和发射极电路来区分的。 由于基极和发射极由于基极和发射极 之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低， 为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回 路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和 调发这两个电路中，晶调发这两个电

11、路中，晶 体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分 耦合。耦合。 调基电路振荡频率调基电路振荡频率 在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时， 振幅比较平衡。振幅比较平衡。 (a) 调基电路调基电路 调基电路调基电路 VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L 调集电路在高调集电路在高 频输出方面比频输出方面比 其它两种电路其它两种电路 稳定，而且幅稳定，而且幅 度较大，谐波度较大，谐波 成分较小。成分较小。 （b）调集电路）调集电路 v1 Rb1 Rb2 Re Cb Ce VCC C M 由于基极和由于基极和 发射极之间的输发射极之间的输 入阻抗比较低，入阻抗比较低， 为

12、了避免过多地为了避免过多地 影响回路的影响回路的Q值，值， 故在调基和调发故在调基和调发 这两个电路中，这两个电路中， 晶体管与振荡回晶体管与振荡回 路作部分耦合。路作部分耦合。 （c）调发电路）调发电路 VCC Rb1 Rb2 Ro Cb Ce M C L2 L1 3) 3) LCLC振荡电路振荡电路 1 1）电容反馈三点式振荡器）电容反馈三点式振荡器 2 2）电感三点式振荡器）电感三点式振荡器 3 3）两种改进型的电容反馈振荡器）两种改进型的电容反馈振荡器 L C1C2 C3 RL B A 振振荡荡频频率率： 3 11 LCLC EC RL L C2 C3 C1 Rb1 Rb2 Cb Re

13、 Rc A B (1)由于由于Cce、 、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。 的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。 (2)调整调整C1 C2的值可以改变反馈系数的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。但对谐振频率的影响很小。 由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升 高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故: (3)调整调整C3值可以改变系统的谐振频率值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。对反馈系数无影响。 (1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。克拉泼电路的波

14、段覆盖的范围窄。 (3) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。工作波段内输出波形随着频率的变化大。 克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点: (2) 增大增大C1和减小和减小C3时引起振荡幅度下降，难于起振。时引起振荡幅度下降，难于起振。 L C1 C2 C3 C4 A B C4 L C2 C3 C1 Rb1 Rb2 Cb Re Rc A B 与与 Clapp 电路不同点仅在于电路不同点仅在于 回路电感回路电感 L 两端并联一个可变电两端并联一个可变电 容容 C4 ,而而 C3 为固定值电容为固定值电容 ,且且 有有 C3C1,C2 其其振振荡荡频频率率为为: : )( 1 )( 1 434 CCL

15、CCL 由由于于 C3为为固固定定值值,所所以以p值值 不不变变（即即与与调调谐谐电电容容 C4无无 关关）,所所以以在在波波段段内内振振幅幅比比 较较稳稳定定,且且调调谐谐范范围围比比较较宽宽, 实实际际中中常常用用于于宽宽波波段段工工作作系系 统统中中. EC 主要特点：主要特点：1）频稳度高；）频稳度高；2）作为波段振）作为波段振 荡器的波段覆盖可以较宽，荡器的波段覆盖可以较宽，ka1.61.8， 且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较 高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好 的振荡器。的振荡器。 4) 晶体振荡器晶体振

16、荡器 (Circuit of Crystal Oscillators) 并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器: : 晶晶体体以以电电感感元元件件方方式式接接入入振振荡荡电电路路, ,振振荡荡频频率率 pq fff 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器: : 晶晶体体以以低低阻阻抗抗方方式式串串接接在在晶晶体体与与晶晶体体管管之之间间, , 振振荡荡频频率率 q ff 常用的有两种基本类型常用的有两种基本类型: : 仿真 右右图图为为典典型型的的并并联联晶晶体体振振荡荡器器, , 晶晶体体接接在在集集电电极极与与基基极极之之间间, ,振振 荡荡 器器 工工 作作 频频 率率 为为f f, , 且且 有有

17、 ps fff , ,晶晶体体呈呈电电感感性性, ,相相 当当于于 C Cl la ap pp p 电电路路. . C C1 1, , C C2 2 即即是是谐谐振振回回路路的的一一部部分分, , 又又构构成成反反馈馈回回路路. .C C3 3 即即作作为为减减弱弱 晶晶体体管管与与晶晶体体间间的的藕藕合合电电容容, ,也也 作作为为振振荡荡频频率率的的微微调调电电容容. . 晶晶体体接接在在基基极极与与发发射射极极之之间间, , 该该电电路路实实质质上上是是个个双双回回路路 振振荡荡电电路路, ,L L1 1, ,C C1 1 是是集集电电极极回回路路 元元件件, ,由由于于基基极极与与发发

18、射射极极之之间间接接 入入感感性性元元件件的的晶晶体体, ,根根据据相相位位平平 衡衡条条件件的的判判断断准准则则, ,集集电电极极回回路路 必必须须等等效效为为感感性性. .可可变变电电容容 C C1 1 作作为为集集电电极极回回路路的的调调谐谐电电容容, ,可可 调调高高回回路路的的固固有有谐谐振振频频率率 1 f, ,使使 01 ff , ,另另外外 C C1 1 的的改改变变也也可可改改变变 振振荡荡幅幅度度的的大大小小, ,又又由由于于晶晶体体被被 晶晶体体管管的的低低输输入入阻阻抗抗所所并并联联, ,降降 低低了了有有载载 Q QL L值值, ,所所以以稳稳定定度度较较低低, ,

19、故故不不如如 P Pi ie er rc ce e 电电路路. . 电电路路的的交交流流等等效效电电路路如如图图所所示示 5) RC5) RC振荡器振荡器 较低的振荡频率一般都采用较低的振荡频率一般都采用 RCRC 振荡器振荡器 R RC C 振振荡荡器器的的主主要要优优点点: : 结结 构构 简简 单单 经经 济济 方方 便便 R RC C 振振荡荡器器和和 L LC C 振振荡荡器器工工作作原原理理相相同同, ,结结构构上上也也是是由由放放 大大器器和和正正反反馈馈网网络络两两部部分分, ,区区别别仅仅在在于于用用 R RC C 选选择择网网络络来来代代 替替 L LC C 回回路路. .

20、 根根据据R RC C网网络络不不同同可可将将R RC C振振荡荡器器分分为为: : 相相移移振振荡荡器器 桥桥式式振振荡荡器器 一一, ,R RC C 相相移移振振荡荡器器 1 1, ,电电 路路 结结 构构 输输出出电电压压从从集集电电极极经经 R RC C 相相 移移器器反反馈馈到到基基极极, ,为为满满足足振振荡荡器器 的的相相位位平平衡衡条条件件, ,R RC C 相相移移器器必必须须 具具有有相相移移 1 18 80 0o o的的功功能能. . 2 2, ,R RC C 相相移移器器的的工工作作原原理理 相相位位超超前前的的相相移移网网络络 相相位位滞滞后后的的相相移移网网络络 V

21、1 +V c - VoV1 +VR- VO II Vo I VCV1 V1 VO 两两种种相相移移网网络络具具有有如如下下特特点点: : ( (1 1) ) 单单节节 R RC C 相相移移电电路路所所产产生生的的相相移移在在 0 09 90 0o o之之间间, ,但但最最大大相相移移不不 超超过过 9 90 0o o ( (2 2) ) 输输出出电电压压幅幅度度也也随随频频率率变变化化而而变变化化, ,但但输输出出电电压压总总小小于于输输入入 电电压压, ,且且相相移移越越大大, ,输输出出越越小小, ,当当相相移移 9 90 0o o时时, ,输输出出趋趋于于零零. . ( (3 3) )

22、 相相移移值值与与频频率率相相关关, ,因因此此, ,当当 R RC C 参参数数一一定定时时, ,相相位位值值与与一一定定的的 信信号号频频率率相相对对立立. . 故为了使相移网络倒相故为了使相移网络倒相 180180o o, ,至少要用三节移相网络至少要用三节移相网络, ,且可以证明如且可以证明如 果采用相同的果采用相同的 RCRC 相移网络相移网络, ,振荡频率为振荡频率为: : RC62 1 f 起起振振条条件件为为: : 29hfe I VR 负负 反反 馈馈 电电 路路 : 由由R 3,R4 纯纯 电电 阻阻 电电 路路 构构 成成 . 正正 反反 馈馈 电电 路路 : 由由 R

23、1,C1, R 2,C2 选选 频频 网网 络络 构构 成成 . v2 + v1 - - 2 1 v v F 当当 R R1 1= =R R2 2= =R R, ,C C1 1= =C C2 2= =C C 时时, , F F= =1 1/ /3 3 RC f 2 1 0 F f fo 2 2 f I ) Cj 1 R Cj 1 R ( Cj 1 R ) Cj 1 R/( Cj 1 R 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 3 1 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器 3 调制与解调器原理 3.1幅度调制与解调原理 3.2乘法器实现电路介绍 3.3频率调制与解调原理 3.1幅度调制与解调原理 一、基

24、本概念 1)调制的概念及必要性 适合信道特性；提高信道利用率。 2）模拟调制分类 3）幅度调制的分类 AM,DSB,SSB,VSB; 4)调幅信号的解调 包络检波器，同步检波 5）混频原理与应用 二、实现框图 相加器相加器 乘法器乘法器 AM u 直流直流 0 u u 乘法器乘法器 相加器相加器 u AM u 0 u 乘法器 u o u 下边带滤波器 SSBL u 上边带滤波器 SSBU u 非相干解调非相干解调 (包络检波包络检波) 乘法器乘法器低通滤波器低通滤波器 uDSB u o u 包络检波器包络检波器 加法器加法器 uDSB u o u 非线形非线形 电路电路 低通滤低通滤 波器波器

25、 2 相干解调（同步检波）相干解调（同步检波） (1) 调幅调幅(DSB为例为例) u 乘法器带通滤波器 u DSB u o 2max o （2）检波）检波 u DSB乘法器低通滤波器 u r u max （3）混频）混频 u DSB = u s 乘法器 u L 带通滤波器 u I I I=L L-S S L s 调幅，检波与混频之间的频谱变换关系： I I=L L-S S 2max 3.2 MC1496乘法器电路应用乘法器电路应用 幅度调制、混频实现电路 1234567 891011121314 MC1496 Rw1 R5R4 C2 Rw2 R6 R7 R9 C3 C4C5 7908 1 2

26、3 R3 R1C7 R2 C8 R10R11 C11 +12V Ucin AMin -12V C1 C13 C9 R12 R01 R03 R00 C00 D1 R06 C01 C12 C02 K1 R04 R05 RW1 RW2 C04 IC OUT1 OUT2 AMin 同步及二极管包络检波实验电路图 3.3 频率调制与解调原理 1）频率调制的概念及特点 频谱的非线性搬移；高的抗干扰能力；宽的频带 2）调频的实现方法 A 变容二极管直接调频 B 间接调频 3）调频信号解调方法 4）调频发射接收机 变容二极管直接调频原理电路（VCO) 间接调频框图 高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器 )(tu )(tu )(tuFM 调频发射机（调频发射机（FM transmitter）的组成。）的组成。 f 01=200kHz 振荡器振荡器 调相器调相器 多 级 倍多 级 倍 频器频