第三章-模拟相乘器和混频器课件

《第三章-模拟相乘器和混频器课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章-模拟相乘器和混频器课件（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 模拟相乘器和混频器,3-1 模拟相乘器,3-2 混频器,3-1 模拟相乘器,一、基本特性,二、 模拟相乘器的实现方法,三、二极管相乘器,四、晶体管相乘器,五 、 集成模拟相乘器,六. 电流模相乘器,七. 集成MOS模拟相乘器,八. 相乘器的应用,第三章 模拟相乘器和混频器,3-1 模拟相乘器,一、基本特性,1. 基本概念,含义：可实现任意两个互不相关模拟信号相乘的 三端口的非线性电子器件,（AM为相乘增益，亦称比例系数或标尺因子）,工作区域,单象限,二象限,四象限,2传输特性,直流和低频传输特性,零输入响应 ： 零输入状态时，是非零的输出，存在误差电压（输出失调电压和馈通误差电压）,直

2、流传输特性 （一个输入为直流时）,平方律特性（ ）,非线性传输特性,正弦信号传输特性,3误差分析 误差,引起误差原因：,二模拟相乘器的实现方法,二极管相乘器技术,四分之一相乘技术,三角波相乘技术,对数反对数相乘技术,脉冲高度宽度的相乘技术,可变跨导的相乘技术（晶体管）,三、二极管相乘器,(二极管平衡相乘器、二极管双平衡（环形）相乘器),1分析方法开关函数分析,余弦型 若,i 单向正相余弦开关函数,ii 单向反相余弦开关函数,iii 双向开关函数,正弦型 若,i 单向正相正弦开关函数,ii 单向反相正弦开关函数,iii 双向开关函数,大信号控制二极管开关工作，二极管等效导通电阻RD与开关K串联。

3、,2. 二极管平衡相乘器,电路及特点,电路,特点：,v1(t)=V1msin1t,v2(t)=V2msin2t,a) D1、D2为近似理想开关二极管,b) v1同相加到D1、D2上， v2反相加到D1、D2上,c) Tr1二次与Tr2一次绕组具有中心抽头，并上下严格对称,d) 电流差分输出 i=iD1- iD2,工作原理 V1mV2m V1mVD(on) v1控制 D1 、 D2开关工作 若v10，D1、D2导通 ；若v10，D1、D2截止,根据等效电路，可以列出回路方程求得,实现相乘条件 应在RL两端并上LC带通滤波器 (满足中心频率谐振在 ),3. 二极管双平衡相乘器（环形相乘器） 电路及

4、特点,在负载上选出,输出电压,电路：,特点： i D1-D4理想开关二极管 ii Tr1次级Tr2初级具有中心抽头，上下严格对称 iii v1同相，v2反相加到D1、D2或D3、D4上,iv 差分输出,工作原理,实现相乘条件： 在RL两端并上LC带通滤波器（满足中心频率谐振在 ）,4. 二极管环形组件相乘器：,二极管环形相乘器与平衡相乘器相比不仅频谱更纯净，而且相乘效率提高一倍，得到了广泛应用，所以把环形电路接成环形电路组件。,电路：,工作原理由同学自己完成。,四. 晶体管相乘器 1 差分特性分析法,电路：,差分特性 ，,对 近似方法 若V1m26mv， 若26mvV1m260mv 若V1m2

5、60mv，,双曲正切函数表示,欲实现理想相乘时存在的问题: a) 相乘增益与温度T成反比（即AM ）不稳定 b) 动态范围受V1m26mv的限制,2单差分对管相乘器,电路,工作原理,分别在V1m260mv时，对 进 行频谱分析讨论,通过LC 带通滤波器（中心频率谐振在 ,3dB 带宽为2 ），即可实现 不失真的相乘。,i V1m26mv, V2m26mv 无意义，说明 必须为小信号,a) 交叉地加到T1、 T2与T3、T4基极上,特点,b) i=iI - iII差分输出,工作原理,分类讨论,电路：,3双差分对管相乘器 电路及其特点,ii V1m26mv, V2m26mv 实现近似理想相乘,ii

6、i 26mvV1m260mv , V2m26mv,iv V1m260mv , V2m26mv,输出i经LC带通滤波器，（中心频率谐振在 , ） 可实现 不失真的相乘,欲实现理想相乘时存在的问题：,i 实现理想相乘,要受到V1m26mv，V2m26mv的限制,ii 相乘增益与温度T2成反比（即AM ）,4,三差分对管相乘器（线性化四象限可变跨导相乘 器或模拟相乘器）,目的：扩大 的动态范围，实现任意两个模拟信号的相乘。,框图：,电路,流控吉尔伯特电路,电路（由T1T4、T7、T8构成）,v= vBE7 vBE8,实现：,电压电流线性变换器,电路,实现： ；,实现方法：分别在差分对管T5 、T6

7、与T9、 T10的两个射极间分别加一个大电阻RE2与RE1,实现深度负反馈；,优点：,a) 实现任意两个模拟信号的相乘,b) AM=4Rc /IoRE1RE2与T无关，所以电路特性稳定,实现相乘条件： ，,结论： ；,3),五 、 集成模拟相乘器,1 .MC1596 相乘器(或XFC1596),2. MC1595(或BG314）相乘器,电路与工作原理, 内部电路,外部连接图,工程估算,已知：,估算：（设计）,a) RE1,RE2:,估算时，,工作原理 ： v0=AMv1v2，,其中,d) R3,R13:,e) Rk:,c) 估算+VCC,-VEE：,从V2max,-V2max分别往上，往下估算

8、，遇C-B结，用2.5V估算，遇B-E结用0.7V估算，加适当的裕量即可。,b) Rc:,调零技术（调整）,电路：(F007为单位倒相增益放大器),调整：在输出端接示波器（或计数器）,i) 调零：零输入状态下，使 。反复调 ）,ii) 调AM : 调RW4 (调I0 ),调整目的：克服输入输出失调电压引起相乘误差。,六. 电流模相乘器,1. 概念,用电流的分量处理模拟信号的电路称为电流模电路 在电流模电路中晶体管有用的频率高达fT，具有频带宽速度高 的传输特性,2. 基本电流模电路形式,跨导线性电路（TL电路） 电流镜（CM）与电流传输特器（CC）,开关电流电路（SCC） 砷化镓高速电路（ ）

9、 模拟神经网络电路（AN） 支撑电路（SC）,3. 特点,频带宽速度高,电路是低阻节点，极点频率很高，接近特征频率fT,电路中电流变化影响电压分量VBE(on) 变化很小；向Cbe 充电电流很大，时间短。,动态范围很大,电源电压很低（0.71.5V）,输出电流达到（10-9 10-3mA级）,输出最大电流受晶体管限制,易于实现电流的存贮与转移,动态电流镜可作为偏置电流，或作为电流1：1拷贝倍乘或整除。,广泛用在开关电流滤波器、开关电流A/D、D/A转换器中,便于实现电流与电压的线性与非 线性转换,作为电压电流线性转换器,非线性失真很小,电流传输特性影响器件的伏安特性,易于处理高精度的模拟信号处

10、理,4. TL回路原理,TL基本概念,说明gm是集电极电流线性比例系数，提出跨导线性TL概念。,得到,TL原理：,条件：,l,a) 有偶数个PN结,b) 顺时针排列（CW）个数=逆时针 排列（CCW）个数,结论：顺时针发射结电流密度之积等于逆时针发射结电流 密度之积,l,若,(J)Cw= (J)CCW,5. TL回路构成电流放大器,TL跨导线性回路原理： 在一个包含偶数个正偏发射结的闭合回路中，若顺时针方向排列的PN结的数目等于逆时针方向排列的PN结的数目，则顺时针方向发射极电流密度之积等于逆时针方向发射极电流密度之积,举例一,可变增益电流放大器（与无关）,已知：,输入管的偏置电流I,差分管偏

11、置电流IE,x 为信号电流与偏置电流比值，称为调制度，满足 -1 x 1。,求：,1) 差模输出电流 2) 差模电流的增益,解：=1,得：,说明：若考虑ib1,ib2效应,得, 结论：,电流增益取决于差分管的偏置电流IE与输入管的偏置电流I的比值，输入与输出是线性关系，与温度T无关。,l,l,改变IE或I可调节电流增益，所以它为可变增益电流放大单元电路。不受大小的影响。,举例二,可变增益电流放大器（与有关）,因为,举例三 吉尔伯特电流放大器,电路结构与例二相似，只有在输出端将T2、T3集电极，T1、T4集电极连在一起。,该增益单元是超高速、超高频率集成电路形式，适合多级级联。,电流增益不宜太大

12、，一般为110，否则体电阻影响太大。,DC0.51GHz,6. 电流模相乘器,电路：,例如 , 图中T11、T22输出电流iC11-iC22未加失真抵消电路时是非线性隐函数,加入失真抵消电路：,同理：, 电流模相乘器比电压模相乘器性能好，频带宽的原因是：,采用CB工艺，使 fT=12.5 GHz,为了宽频带，要减少带内噪声,l,为减少v1、v2的V-I变换器的负反馈电阻，减到Rx=Ry=285,所以必须加入失真抵消电路,a),b) 减少输入电压摆幅,c) 输出级采用基本无电压摆幅的电流模放大器,与电压模相乘器相比较的不同点,a) 由输出有摆幅的电压信号变换成无摆幅的电流信号,b) x,y加入失

13、真抵消电路,l,1 . CMOS四象限相乘器,七. 集成MOS模拟相乘器, 电压电流变换器工作原理, 相乘器的工作原理,相乘器输出电流,2 . CMOS 四象限模拟相乘器,八. 相乘器的应用,在通信电路中应用：可以来用相乘器实现混频、调 幅、同步检波、乘积型相位鉴频、乘积型鉴相等。,在模拟运算中应用：运算放大器与相乘器配合，可以 实现除法、乘方、开方、开立方以及各种函数发生器 等运算。,1.,2.,3-2 混频器,一、混频概念和实现模式,二、 晶体管混频器,三、 二极管混频器,四、集成混频器,五、 组合频率干扰与非线性失真,*六、 参量电路,3-2 混频器,一、混频概念和实现模式,1. 定义,

14、混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持 调制规律不变的频率变换过程。,fI = fL - fC 或fI = fL+fC （其中fI表示中频频率，fL表示 本振频率，fC表示载波频率。一般 取差频）,2. 框图与功能 （以输入vs(t)为标准调幅波为例）,框图,中频调幅波上下边带与原调幅波上下边带是倒置的,本地振荡信号为高频等幅波,（称为下混频）,（称为上混频）,混频增益 混频功率增益,3.混频器的性能指标,非线性器件包括二极管、晶体管、场效晶体管、差分对管及相乘器,中频带通滤波器中心频率谐振在I，BW3dB=2（以单音 v的调幅信号为例）,混频是实现频谱的线性搬移,减少非线性失真的各种

15、组合频率干扰（选择器件特性接近平方律或近似理想相乘器）,中频输出回路有良好的选择性（理想为矩形滤波）,功能,工作稳定性：主要是本振频率稳定，才能保证中频频率稳定,混频噪声系数尽量小,4.混频器的类型：晶体管混频器、场效晶体管混频器、二 极管平衡混频器、二极管环形混频器及集成模拟混频器等,二、 晶体管混频器,工作原理：,1.电路与工作原理：, 电路,2. 分析方法（有开关函数法、等效线性时变系统分析法，在,等效线性时变系统分析法,在时变偏置下，对输入信号vs可采用时变偏置下的小信号谐振放大器的分析方法，称为等效线性时变系统分析方法,分析步骤：,a) 写出混频时变方程,b) 画出时变y参数混频管等效电路,c) 画出混频器Y参数折合参数等效电路,此仅介绍后一种方法）,在工程上，除了gfc以外,其他折合参数均与静态参数相等，所以分析混频的问题归结为求变频跨导gfc,d),晶体管混频折合参数小信号等效电路,混频器输入电导,混频跨导（变频跨导）,的支流分量,的基波分量的振幅,3. 求变频跨导gfc的方法, gfc的定义：,求gfc的方法,首先根据晶体管静态转移特性曲线icvBE，求正向传输电导gf(v) v特性曲线,画出正向传输电导曲线在VBB(t)作用下，得到时变跨导gf(t) 的波