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1、湖南文理学院毕业论文 论文题目：乘法器在电视接收机中的应用系 别：物理与电子科学系专 业：物 理 学学 号：5099135姓 名：滕 波指导老师：傅 祖 清提交日期：2003年5月25日乘法器在电视接收机中的应用摘 要： 本文分析了双平衡模拟乘法器的结构与工作原理，并讨论了其在广播电视接收机中的一些应用，重点介绍了其各种应用各个单元电路的工作原理与特点。 关键词：双平衡模拟乘法器；跨导；差分放大器 随着电子技术的发展，广播电视接收机中普遍采用集成电路，而双平衡模拟乘法器是这些集成电路中最常用的单元电路。利用双平衡模拟乘法器可以实现变频、鉴频、普通调幅检波、平衡调幅检波、鉴相、立体声解码、增益控
2、制等功能。本文将分析双平衡模拟乘法器的原理，并讨论其在广播电视接收机中的一些应用。1 原理 1.1 三极管的跨导gm 根据半导体理论，三极管射极总瞬时电流IE与基射极间总瞬时电压VBE的关系为：iE=IS （1）式中，IS为发射极反向饱和电流，。 常温时，由于发射结正偏，只要，则有，故（1）式可简化为： （2）发射结动态电阻 （3） 式中，IE为三极管静态电流（2）（3）式联立，可得 （4）上式中，IE单位为安（A），gm单位为西门子（S），下同。 （5）1.2 差分放大器的差模放大倍数Ad，跨导gm如图1所示的差分放大器，T1T2参数对称，IE为T1T2的射极恒流源，Vi为输入信号，因T1T
3、2对称，所以，且gm1=gm2=gm.由（5）式有： +EC RC RC + Vi T1 T2 - IE 式中， （6） 图1 差分放大器 1.3 双平衡模拟乘法器 双平衡模拟乘法器 ，又 EC叫双差分模拟乘法器，其电路如图2。T1T2组成以 iCA iCBT5为电流源的差分放大器， T3T4组成以T6为电流源 5 iC1 iC2 iC3 iC4 6的差分放大器，T5与T6 1 T1 T2 T3 T4组成以I0为恒流源的差 +分放大器。T1T4的基极接在一起作为一个输入 V1端1；T2T3的基极接在 - 2一起作为另一个输入端2； ic5 ic6 1端和2端之间加输入信 3 T5 T6号V1。
4、T5T6的基极之间 + V2 （3、4两端）加输入信 - 4 号V2。T1T3的集电极接 I0 极接在一起，作为一个输出端5（）；T2、T4的集电极接在一起，作为另一个输 出端6（）。输人信号可 图2 双平衡模拟乘法器取自5、6两端之间（双端输出）， 也可以从5端（或6端）与地端之间输出（单端输出）。由集成电路工艺保证T1T2T3T4各参数对称，T5与T6也对称。V1、V2为两个输入信号电压。因电路对称，所以 VBE1=VBE4=V1/2，VBE2=VBE3=-Vi/2, VBE5=V2/2, VBE6=-V2/2由（5）式，有：ic1=gm1v1/2 (7)ic2=gm2(-v1/2) (8
5、)ic3=gm3(-v1/2) (9)ic4=gm4(v1/2) (10)ic5=1/2I0+ ic5=1/2I0+gm5V2/2 (11)ic6=1/2I0+ ic6=1/2I0+gm6(-V2/2) (12)由（6）式，有： gm1=20ic5 , gm2=20ic5 gm3=20ic6 , gm4=20ic6 gm5=20i0 , gm6=20i0 令gm5=gm6=gm则有： ic5=1/2I0+gmV2/2 ic6=1/2I0+gm(-V2/2)而： iCA=iC1+iC3=gm1V1/2+gm2(-V1/2) =20ic5V1/2+20ic6(-V1/2) =10V1(ic5-ic
6、6) =10gmV1V2 (13)VA=-icARc=-10gmRcV1V2iCB=ic2+ic4=gm2(-V1/2)+gm4(V1/2)=20ic5(-V1/2)+20ic6(V1/2) =10V1(ic6-ic5)=-10gmV1V2 (14)VB=-icBRc=10gmRcV1V2可见，电路的输入信号电压（电流）与两个输入信号电压的乘积成正比，该电路具有乘法放大的功能，故称其为乘法器。若V2=0，V10，虽然由V1产生的交变成分将改变T1、T2和T3、T4两对差动管的瞬时电流分配关系，即T1、T4管电流增加I时，T2、T3管电流将减少同样 I。但是，由于集电极电流交叉迭加的结果，正好抵
7、消了这一变化，使输入电压V0=0。若V1=0，V20，虽然V2使T5、T6管的瞬时电流有变化，即T5管电流增加 I5时，T6管电流将减少同样I5。但是，由于集电极电流交叉叠加的结果，抵消了这一变化，输入电压将不因V2的作用而有任何变化，双端输出V0=0。可见，电路具有双平衡性能，输出端对于每一个输入信号都是平衡相消的，仅仅放大和输出两个输入信号的乘积项，又由于电路由两个对称的差分放大器构成，故称双差分模拟乘法器或双平衡模拟乘法器。它的电路符号为 V1 X Z V2 Y V02. 应用2.1 变频在采用集成电路的收音机、电视机中，常用双平衡模拟乘法器来实现变频。在图2电路中，设外来信号为v1，本
8、机振荡信号为v2 v1=V1cosw1tv2=V2cosw2t由（14）式，icB=-10gmv1v2 =-10gmV1V2cosw1t cosw2t =-5gmV1V2cos(w2-w1)t+cos(w2+w1)t 若把负载电阻Rc改为LC并联选频回路，并使LC选频回路的谐振频率w0= =(-),则输出信号VB=-iBR0=5gmR0V1V2cos(-)t,式中，R0为LC回路的等效并联损耗电阻。因本振是等幅振荡，V2是常数，故输出信号振幅包络与原来输入信号V1相同，而频率变为-,即电路具有变频功能，用于收音机、电视机中完成信号的变频。2.2 鉴频用双平衡模拟乘法器实现鉴频，其基本原理是把输
9、入调频信号的频率变化，经过移相网络后，变成相位变化，然后利用双平衡模拟乘法器的鉴相特性，把相位变化变为相应的幅度变化：当调频波瞬时频率w=w0时，（w0为载频），相移=90，此时输出电压为零。 Ec RC iCBCi i2 VB T1 T2 T3 T4+ +V2 C L V1 - T5 T6 I0 图3 鉴频器当0时，90,输出电压为正.当90,输出电压为负.这样就从调频波中解调出调制信号,如图3电路,设V2为调频信号,v2=V2cos(t),其载频为0。移相网络中，LC并联谐振频率并=0对于比并低的频率，LC回路呈等效电感L,L与C1组成的串联谐振频率串=0。在0上，V2与I2同相，I2在L
10、上形成电压V1比I2超前/2 ：=V20=ZL/2-arctg =ZL/2-arctg =ZL/2-arctg = /2- arctg上式中，R1为LC1串联电路的等效串联损耗电阻，R2为LC回路的等效并联损耗电阻，为LC回路的Q值，令V1=V2，则有： = V1 /2-arctg v1=V1cos(t)+/2-arctg 由（14）式，有：ICB=-10gmv1v2=-10gmV1 cos(t)+/2-arctgV2 cos(t) =-10gmV1V 2cos(2(t)+ /2- arctg)+cos(/2- arctg)滤出高频成分，得： VB=-ICBRC=5gmRCV1V2cos(/2
11、- arctg)=K=K式中，K=5gmRCV1V2.可见，输出信号电压VB与频偏之间具有“S”行的关系曲线。如图4，具有鉴频的特性，用于电视伴音电路和调频收音机中。 V0 O Q 图4 鉴频特性曲线2.3 普通调频检波V2图象调 限幅 LC选频 V1 双平衡模拟 滤波 视频信号幅信号 放大 网 络 乘法器 V2 图5 同步检波器结构框图在集成电路电视机中，大都用双平衡模拟乘法器作视频检波器，其电路结构框图如图5，图象调幅信号V2经放大、限幅、LC选频，选出其载频信号V1，V1、V2再送到双平衡模拟乘法器进行同步检波。在图2电路中，设输入调幅信号电压v2=V2(1+macost)cost,载频
12、v1=V1cos(t+),式中，为限幅器引起的相移。当输入调幅信号电压v2和载频v1分别加到乘法器的两个输入端时，若忽略限幅器及乘法器引起的相移，由（14）式，有：iCB=-10gmv1v2=-10gmV1V2(1+macost)cost cost =-10gm V1V2(1+macost)(1+cos2t)=-k(1+macost)(1+cos2t) =-k-kcos2t-k macost-kmacos(2-)t式中，k=5gmV1V2.可见，乘法器输出电流中不仅包含有反映调制规律的低频分量，而且还有直流分量，载波的二倍频及其边频分量。为取出所需的低频分量，只要用低通滤波器作为乘法器的负载，
13、将所有高频分量去除，并用足够大的电容器隔断直流分量，即可实现检波功能，得：vB=-iCBRC=KRC(1+macost)这就解调出调制信号，这种电路常用于集成电路电视机中作视频检波器。应当指出，作为同步 V2检波器，在电视接收机和 立体声收音机集成电路中双平衡模拟乘法器的Y通道大多引入负反馈，以实现线形化，而X通道不采 O t取线形化措施。当高频信号幅度足够大时X通道予以自然限幅成方波开关信号。在这种情况下，同样可获得良好的检波功能。这种大信 V1号工作的同步检波可由图6来说明。由图可见，高频调幅信号与同频方波信号相乘的结果，使得对应于输入电压负半周的输出电流波形都 O t变成正半周，其平均分
14、量反映了调幅波的包络信号的变化。 i 平均分量 O t 图6 大信号工作时同步检波工作波形2.4 平衡调幅检波普通调幅信号的解调，可以用双平衡模拟乘法器构成的同步检波电路（如上所述），也可以用普通二极管检波电路。而平衡调幅信号的解调，则不能用普通二极管检波电路，它必须用同步检波器。在图2电路中，设v2为平衡调幅波，v2=f(t)sint,v1为本机副载波，v1=V1 sint,由（14）式，有：ICB=-10gmv1v2=-10gmV1f(t)sin2t =-5gmV1f(t)+5 gmV1f(t)cos2t滤去高频成分后，得：. vB=-ICBRC=5gmRcV1f(t)=kf(t)可见，输
15、出vB与原调制信号f(t)成正比，即双平衡模拟乘法器把平衡调幅信号中的调制信号f(t)检出。这种电路用在彩色电视机中的色差信号检波电路。2.5 鉴相在广播电视接收机中，经常用到锁相技术，在锁相环里，鉴相器起着关键的作用，用双平衡模拟乘法器能够构成性能优良的鉴相器。鉴相是将两个信号的相位差变换成电压的过程。图7是利用双平衡模拟乘法器实现鉴相功能的方框图。v1 X 低 通 v0 Y 滤波器v2 图7 实现鉴相功能的方框图图中，相位不同的两个高频信号电压v1和v2分别加至乘法器的两个输入端，低通滤波器用来取出反映两输入信号之间相位差变化的低频电压。 在图2电路中，设v2是基准正弦信号，v2=V2co
16、swst,v1是本振信号v1移项/2后的信号。v1与v2存在相位差，v1=V1cos(wst+). 由（13）（14）式，有：ICA=10gmv1v2 vA=-ICARC=-10gmRCv1v2ICB=-10gmv1v2 vB=-ICBRC=10gmRCv1v2vAB=vA-vB=-20gmRCv1v2=-20gmRCV1cos(wst+)V2coswst =-20gmRCV1V2cos+cos(2wst+) 滤去高频成分后，得：VAB=-10gmRCV1V2cos=-kcos 可见，电路具有余弦鉴相特性，如图8所示。由特性曲线可见，当两个输入信号同相或反相时，电路输出电压绝对值最大；当两信号
17、正交时，输出电压为零。 VAB可用来控制压控振荡器的 VAB振荡，即构成锁相环，锁相时，v1与v2相位差，VAB=0，此时，本振信号v1与基准信号v2同相。 该电路用于调频立体声广播的锁 相环立体声解码电路及彩色电视机里 - - - 0 副载波恢复电路的锁相。2.6 立体声解码 用双平衡模拟乘法器对立体声 图8 余弦鉴相特性 合成信号进行解码，能使左、右声道的串音信号互相抵消，从而提高左、右声道的分离度，电路如图9。T1T2T5为主解码器，T3T4T6为副解码器。V2是立体声合成信号,v2=(L+R)+(L-R)coswst,v2经过串音补偿网络衰减A倍 v2=A(L+R)+(L-R)cosw
18、st,v1是38K副载波频开关信号，当开关信号为正时， EC vA（L） vB（R） T1 T2 T3 T4 + V1 38K同步开关信号 - 固定偏置 T5 T6 + （交流地） 立体声 V2合成信号 - W 图9 立体声解码器v1正=开关信号为负时，v1负=v1为正时，T1T4导通，T2T3截止。主解调器输出 滤去高频成分，得音频信号副解调器输出（串音补偿信号）滤去高频成分，得音频信号上式各式中，k为增益因子。当v1为负时，T1T4截止，T2T3导通。同理可得：主解调器输出副解调器输出（串音补偿信号）平均输出： 只要调W，使，则可使即可消除串音，此时：即解调出L和R信号。利用双平衡模拟乘法
19、器还可以构成直流增益控制电路，其原因是通过直流控制电压来改变三极管的工作电流，从而达到改变增益的目的。此外，彩色电视机里色解码集成电路中的消色，识别检波器，PAL开关也可由双平衡模拟乘法器来构成，其基本原理与上述几种电路相同。利用双平衡模拟乘法器的相乘功能，还可以实现平衡调幅等。可以说，几乎所有的非线形变换都可以由双平衡模拟乘法器来完成，正因如此，双平衡模拟乘法器在广播电视接收机中才得到广泛的应用。致谢衷心感谢傅祖清老师的辛勤培育与热情指导！参考文献1 周子文 模拟相乘器及其应用 高等教育出版社2 王莜颖 模拟电路导论 高等教育出版社3 陈木鑫 韩山师范学院学报 韩山师范学院学报编辑部4 鬲淑芳 黄庆元 模拟电子技术基础 陕西师范大学出版社
