高频电子线路Class14

1、高频电子线路王军王军汕头大学电子工程系汕头大学电子工程系5.3 差差 分分 对对 电电 路路用二极管构成的频谱搬移电路，由于是利用受某个周期信号控制的周期开关函数去切换另外一个信号实现频谱搬移，而这种切换可以等效为开关函数去乘某个信号。但遗憾的是一个周期开关信号可以被展成一系列谐波分量，这些谐波均要和另外一个信号进行乘积、进行频谱搬移。必须加滤波电路进行抑制无用的谐波信号和无用的频谱搬移信号对我们频谱搬移真正有用的核心是乘法运算。如果有一个非线性电路正好能实现乘法运算,那么用该电路就可以实现频普搬移,而不用滤波实现乘法运算的电路乘法运算的电路有很多，如霍尔效应相乘法、对数-反对数相乘法、可变跨

2、导相乘法可变跨导相乘法等。可变跨导乘法可变跨导乘法具有电路简单、易于集成、工作频率较高等特点，广泛应用于调制、解调、混频、鉴相鉴相及鉴频鉴频等方面。测量相位差、群时延等测量相位差、群时延等的主要方法之一的主要方法之一锁相环锁相环PLL、压控振荡器等、压控振荡器等11cos()cos()cos(2)cos22ttt你们学过数字电路了,时间间隔怎么测量?0012022ccIIiiIII 5.3.1 单差分对电路单差分对电路 1.电路结构图514中。两个晶体管和两 个电阻精密配对，且。 当u1改变时，iC1和iC2变化ic1和ic2大小相等，方向相反， ic1= I， ic2= -I。，有：(5-5

3、5)Ec Ecube2ube1uDAuoABie2ie1V1V2RLRLic1ic2I0图514 差分对原理电路 2. 传输特性传输特性晶体管的发射结电压与集电极电流的关系为：112212bebeTbebeTuquVKTcssuquVKTcssiI eI eiI eI e (5-56)12121()012221111bebebebeTTTTTuuuuVVVccsscuuVVccIiiI eI eieieie 将上式代入(5-55),得(5-57)201011TTuVcuVciIeiIe (5-61)0000012200002200212221122221tanh22212TTTTTTTTCuV

4、uuuVVVuuuVVVVTuIIIieIIIIeeeeeeIIIIuVe 所以，由上式可得：所以，由上式可得：000002220000220021222211122221tanh222TTTTTTTTCuuVVuuuVVVuuuVVVTIIIIIieeIIIIeeeeeeIIuV (5-62)同样可得：同样可得：oc2c1cc2Lcc1LLc1c2L0T()() ()tanh2uuuEi REi RuR iiR IV双端输出的情况下有双端输出的情况下有 所以，输出的电流与电压u的关系是个双曲函数，如下图：图515 差分对的传输特性120tanh2occTuiiiIV 则则等效的等效的输出输出

5、差分差分电流为：电流为：(5-64)由上面的分析可知由上面的分析可知: (1) ic1、ic2和io与差模输入电压u是非线性关系双曲正切函数关系，与恒流源I0成线性关系。双端输出时，直流抵消，交流输出加倍。 (2) 输入电压很小时，传输特性近似为线性关系，即工作在线性放大区。这是因为当|x|100 mV时，电路呈现限幅状态，两管接近于开关状态，因此，该电路可作为高速开关、限幅放大器等电路。(4) 小信号运用时的跨导即为传输特性线性区的斜率，它表示电路在放大区输出时的放大能力，(5-65)该式表明，gm与I0成正比，I0增加，则gm加大，增益提高。若I0随时间变化，gm也随时间变化，成为时变跨导

6、gm(t)。因此，可用控制I0的办法组成线性时变电路。0T00om202IVIuigu(5) 当输入差模电压u=U1 cos1t时，由传输特性可得io波形，如图5-16。其所含频率分量可由tanh(u/2VT)的傅里叶级数展开式求得, 即(5-66)式中， 傅氏系数(5-67)x=U1/VT。其系数值见表 5-2。1112o151311oo)12cos()( 5cos)(3cos)(cos)()(nntnxItxtxtxIti11112d)12cos(cos2tanh1)(ttntxxn图 5-16 差分对作放大时io的输出波形 电流开关小信号放大3. 差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路差分

7、对电路的可控通道有两个: 一个为输入差模电压，另一个为电流源I0; 故可把输入信号和控制信号分别控制这两个通道。由于输出电流io与I0成线性关系，所以将控制电流源的这个通道称为线性通道; 输出电流io与差模输入电压u成非线性关系，所以将差模输入通道称为非线性通道。图 5-17 为差分对频谱搬移电路的原理图。图517 差分对频谱搬移电路 线性通道uB=U2cos2t非线性通道uA=U1cos1tH(j)H(j)EcuA EcuBV3V1V2uoRe滤波器eE 集电极负载为一滤波回路，滤波回路(或滤波器)的种类和参数可根据完成不同的功能进行设计，对输出频率分量呈现的阻抗为RL。恒流源I0由尾管V3

8、提供，V3射极接有大电阻Re，所以又将此电路称为“长尾偶电路”。Re大则可削弱V3的发射结非线性电阻的作用。由图中可看到: uB=ube3+ie3ReEe (5-68)当忽略ube3后，得出(5-69)eeBBoe3ooeeee( )1 EEuuI tiIIRRER书上有错误书上有错误静态时：静态时：微变时：微变时：就知道了就知道了“为什么可以忽略为什么可以忽略”由此可得输出电流(5-70)考虑|uA|26 mV时，有(5-71)式中有两个输入信号的乘积项，因此，可以构成频谱线性搬移电路。以上讨论的是双端输出的情况，单端输出时的结果可自行推导。( )( ) tanh1tanh22ABAoooT

9、eTuuuitItIVEVTAeBoo2 1)(VuEuIti讨论讨论：(1)uB接低频大信号，uA接高频小信号(2)uB接高频大信号，uA接低频小信号 5.3.2 双差分对电路双差分对电路 1.吉尔波特电路（Gilbert ） 图518吉尔波特电路 由三个基本的差分对V1-V2，V3-V4，V5-V6组成。 也可看成由两个差分长尾电路组成，即V1、V2、V5组成差分对电路,V3、V4、V6组成差分对电路,两个差分对电路的输出端交叉耦合EcV2V1V4V3V6V5RLuouAuBI0i1i2i3i4i6i5i1RLi2iIi书上的图5-18有点小错误io= iI - iII=(i1+ i3)-

10、(i2+ i4) =(i1- i2) - (i4 - i3)125436560605tanh2tanh2tanhtan2()tanhtanh22h2ABoATATBTAoTTTuiiiVuiiiVuiiIVuuuiIVViiiV 由图可得：因此输出电流为：(5-76)当当uA=u1=U1cos1t，uB=u2=U2cos2t 时。时。令：令：x1=U1/VT，x2=U2/VT，则：，则：2112121200()()cos(21)cos(21)oomnmniIxxmtnt (1)当当u226mv， u126mv时，时，0120012( )( )( )( )224TTTIututiIut utVV

11、V 是两个信号的乘积，消去了单个差分时的非乘积项，是一个乘法器，但线性范围小。(5-77)(5-78)（3）当）当u2260mv时时,则有：则有：0021( )()2TIiu t ktV 因此：要作为乘法器，必须u1和u2都是小信号，即便不满足乘法器的条件，但因为式中仍然具有它们的乘积项，因此同样可实现频谱线形搬移，而后通过滤波器取出有用频谱，而在u2不变，u1工作在大信号时，还可做限幅器使用。（2）当）当u226mv，u1为任意值时，为任意值时，tmxtuVIimmT11120200) 12cos()()(2 开关信号是什么形式的？2.双差分对电路的线性动态范围扩展双差分对电路的线性动态范围

12、扩展bb r作为乘法器时，由于要求输入电压幅度要小，因而uA、uB的动态范围较小。为了扩大uB的动态范围，可以在V5和V6的发射极上接入负反馈电阻Re2，如图5-19。 当每管的可忽略，并设Re2的滑动点处于中间值时，e2e6be6e2e5be5B2121RiuRiuu(5-79)式中，ube5ube6=VT ln(ie5/ie6)，因此上式可表示为(5-80)若Re2足够大，满足深反馈条件，即(5-81)式(5-80)可简化为(5-82)e2e6e5e6e5TB)(21lnRiiiiVue6e5Te2e6e5ln)(21iiVRiie265e2e6e5B)(21)(21RiiRiiu上式表明

13、，接入负反馈电阻，且满足式(5-81)时，差分对管V5和V6的差动输出电流近似与uB成正比，而与I0的大小无关。应该指出，这个结论必须在两管均工作在放大区条件下才成立。工作在放大区内，可近似认为ie5和ie6均大于零。考虑到ie5ie6=I0，则由式(5-82)可知，为了保证 ie5和 ie6大于零，uB的最大动态范围为(5-83)将式(5-82)代入式(5-76)，双差分对的差动输出电流可近似为(5-84)220e2B0IRuITAe2B02tanh2VuRuiRe越大，则动态范围越大Re越大，增益越小一对矛盾上式表明双差分对工作在线性时变状态。若uA足够小时，结论与式(5-78)类似。如果

14、如果uA足够大足够大，工作到传输特性的平坦区，则上式可进一步表示为开关工作状态，即(5-85) 综上所述，施加反馈电阻后，双差分对电路工作在线性时变状态或开关工作状态，因而特别适合作为频谱搬移电路。例如，作为双边带振幅调制电路或相移键控调制电路时，uA加载波电加载波电压，压，uB加调制信号，输出端接中心频率为载波频率的带通滤波加调制信号，输出端接中心频率为载波频率的带通滤波器器; 作为同步检波电路时，uA为恢复载波，uB加输入信号，输出端接低通滤波器; 作为混频电路时，uA加本振电压，uB加输入信号，输出端接中频滤波器。BAe20)(2utKRi双差分电路具有结构简单，有增益双差分电路具有结构

15、简单，有增益，不用变压器，易于集成化，对称性精确，体积小等优点，因而得到广泛的应用。双差分电路是集成模拟乘法器的核心。模拟乘法器种类很多，由于内部电路结构不同，各项参数指标也不同，其主要指标有: 工作频率、电源电压、输入电压动态范围、线性度、带宽等。图5-20为Mortorola MC1596内部电路图，它是以双差分电路为基础，在Y输入通道加入了反馈电阻，故Y通道输入电压动态范围较大，X通道输入电压动态范围很小。MC1596工作频率高，常用做调制、解调和混频。V9500500V7VEE( 8V)6.8 k514500V8MC 159632RyV6V514uy810uxV1V2V3V4RcRc3

16、.9 k3.9 kVCC(12 V)126uoic3ic4ic6ic5ic2ic1iaib图520 MC1596的内部电路外接电阻后接滤波器外接动态范围扩展电阻外接电阻控制静态电流V9温度补偿AD8315.4 其它频谱线性搬移电路其它频谱线性搬移电路 5.4.1 晶体三极管频谱线性搬移电路晶体三极管频谱线性搬移电路 EbEcu2u1f0ic图524 晶体三极管频谱搬移原理电路12222111,cos,cosUUtUutUu 且且已已知知： 相比单二极管频谱搬移相比单二极管频谱搬移电路的优点是什么？电路的优点是什么？1、信号源只需提供很小的功率2、可以接更大的负载，而单管二极管频谱搬移电路则不希

17、望负载电阻大点(Why?)( )()()( )( )( )( )( )( )!12121131112113cbebbcbbbnnbbif uf uuEf E tuif E tfE t ufE t ufE t ufE t un 在时变工作点处,将上式对u1展开成泰勒级数,有 可将ic表示为 所所示示。的的变变化化如如图图它它们们随随。为为时时变变跨跨导导，时时变变静静态态电电流流其其中中245)()()()(20 utgtEftItEfmbb00 00 120 22()()01222()c o sc o s 2()() ()c o sc o s 2b ebb ebcccccb ebuEtuEtb eb emmmmItIItItd id fufEtd ud ugtggtgt 22图522 三极管电路中的时变电流和时变跨导ic 可以看出，由于晶体管伏安特性的非线性，使的I0(t)和gm(t)都是非正弦形式。因此将IC0(t)和gm(t)展开为傅立叶级数，则：2( )20111000120220122211012221111( )( )( )( )2!coscos2(coscos2)cos1(coscos2)cos!nccmbbcccmmmnnnnniItgt ufE t ufE t unIItItggtgtUtCCtCtUtn