第四章 振幅调制、解调与混频电路(120)

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1、第4章 振幅调制、解调与混频电路概 述 振幅调制与解调、混频、频率调制与解调等电路是通 信系统的基本组成电路。这些电路都属于频率（或频 谱）变换电路。 特点：他们的共同特点是将输入信号进行频率变换， 以获得具有所需频谱的输出信号。 分类：将输入信号的频谱沿 频率轴不失真的搬移将输入信号频谱进行 特定的非线性变换4.1频谱搬移电路的组成模型振幅调制电路的功能：是在输入调制信号（包含欲传输的信息）u和未经调制的输 入高频振荡（即载波）信号uc的共同作用下产生所需的振幅 调制信号uo振幅调制波分类振幅调制 电路uucuo4.1.1振幅调制波的基本特性及其实现模型一、 普通调制波1、定义：普通调幅波是

2、高频振荡信号振幅按调制信号规律 线性变化的一种振幅调制波。 2、表达式：假设输入设输入调制信号为单音信号， u=Umcost=Umcos2Ft， 输入高频振荡信号为 uc=Ucmcosct=Ucmcos2fct 并且fcF（一般满足fcF），则在不失真情况下，调幅电路 的输出调幅电流为:ic=Im0(1+Macost)cosct 式中，Im0k1Ucm是未经调制的载波电流振幅， 是调幅系数（调幅度），Ma1 Im0(1+Macost)是高频振荡电流的振幅，称为调幅波的包络。Immax= Im0(1+Ma) Immim= Im0(1-Ma), 载频 调制频率一、普通调制波继续4、普通调幅波的波形

3、3、普通调幅波的频谱载频上边频下边频6、普通调幅波的矢量合成图（单音调制）C Im0ABB“O7、普通调幅波的功率（单音调制）5、普通调幅波的频谱图及带宽（单音调制）返回调幅波的波形返回调幅波的频谱图返回单音调制时调幅波频谱图UoFUmfUcmffc -Ffc+FfcMaUcm21 MaUcm21BW调幅波的功率平均功率P（高频周期内，单位电阻）继续PSB在Pav 中的比重平均功率Pav（调制信号周期内，单位电阻）PSB在Pav 中的比重返回一、普通调制波8. 复杂信号调制时的调幅波的频谱 当调制信号u为非余弦周期信号时，其傅立叶级数展开式 为：继续式中，max为最高调制角频率，max为 U2

4、m 则：u2+ -iC1u1+-VBB+ VBB(t) -假设：VBB(t) = VBB+u1为等效基极偏压，此时二、 线性时变工作状态产生的组合频率为：去除了p1，q为任意值的众多组合频率分量例1 晶体二极管指数函数逼近时的时变参量则静态工作 点电流归一化参考 信号振幅静态工作点上 的增量电导第一类修正 贝塞尔函数式中时变参数例2 晶体二极管开关函数逼近时的时变参量当u1足够大时，若UQ=0，晶体二极管特性可用开 关函数逼近：（如图所示）频率分量为：直流、2n1和(2n-1)12I0(t)和g (t)及K1(t)的波形返回uiogD1toI0(t) U1mgDguogDuou1U1m1t1t

5、g(t)o1tK1(w1t)o等效电路晶体二极管开关工作时的等效电路u1u2+_+_iK1(1t) gD返回例3 差分对管双曲函数逼近时的时变参量设恒流源I0受u2控制，且为线性：差分对管双曲函数逼近时输出的差值电 流为：I0u1+-iC1iC2u2例3 差分对管双曲函数逼近时的时变参量I0u1+-iC1iC2u2电流i中的频率分量为： (2n-1) 1和(2n-1)12付氏级数展开付氏级数系数当x1很大时(x1 10)返回与K1（1t）区别：无直流分量，谐波分量幅度增加一倍。双向开关函数波形图K2（1t）波形图例3 差分对管双曲函数逼近时的时变参量当x1很大时返回K2(1t)1t1-1uo1

6、tu1uo1t1-1结 论应用举例1应用举例21、振幅调制器u1= uc，1= c， u2= u ，2= ，并且， c 。线性时变器件带通滤波器u2u1iuo带通滤波器特性oc2c3c4c5c线性时变器件输出电流的频谱：2、 混 频 器u1= uL，1= L， u2= us，2= c ，并且， I= L - c线性时变器件带通滤波器u2u1iuo带通滤波器特性oIcL2L+cL+c线性时变器件输出电流的频谱：4.2.2 模拟集成乘法器一、模拟乘法器的基本概念与特性ux(t)uy(t)xyKxy uo(t)ux(t)uy(t)xyuo(t)XYxyZXYxyKxy ZXYZux(t)uy(t)u

7、o(t)二、双差分对模拟相乘器基本原理1、电路2、静态分析u1= u2 = 0时 IC5 = IC6 = I0 / 2 IC1 = IC2 = IC3 = IC4 =I0 / 4 I13 = IC1 +IC3 = I0 / 2 I24 = IC2 +IC4 = I0 / 2V1+VCCV2RC uou2RCVEEiC5V3V4iC6V5V6Iou1iC3i24i13iC4iC1iC2二、双差分对模拟相乘器基本原理V1+VCCV2RC uou2RCVEEiC5V3V4iC6V5V6Iou1iC3i24i13iC4iC1iC23、动态分析相乘器的输 出电压uo为：uo = (VCCi24 RC)(

8、VCCi 13RC) =( i13 i24 ) RC iC1iC2+VCCRCRCiC5u1相乘器输出差值电流 i：三极管工作于放大区时：V1+VCCV2RC uou2RCVEEiC5V3V4iC6V5V6Iou1iC3i24i13iC4iC1iC2i = i13 i24 =(iC1+ iC3 ) (iC2+ iC4)=(iC1 iC2 ) (iC4 iC3 ) 相乘器的输 出电压uo为：uo = ( i13 i24 ) RC(1 ) 小信号工作状态为理想相乘(2) 线性时变工作状态u1为任意值当 u1 = U1mcos 1t,为时间的函数，可用傅里叶级数展开为 1奇次谐波分量之和。进一步抵消

9、去 q1、p为偶数的众多组合频率分量。4、三种常用工作状态下的输出电流（3）开关状态u1 = U1mcos 1t, 且U1m 260mV时：uo1 tooo 4UT4UT1 to1 t1111u1输出中只含2与1奇次谐 波分量的组合频率分量。上述三种工作状态均要 求u2为小信号。实际应 用中可采用负反馈技术 扩展u2动态范围。扩大u2的动态范围：在V5和V6的发射极上接入负反馈电阻RE2，滑动触点位于中间，则：证明：VEEVccRKIKV7V8i7i8i5i6i10i9V9V10扩大u1的输入动态范围的补偿电路如图所示：电流电压变换双差分对管的输出电流为：输出差值电压为：i9-i10u1/(R

10、E1I0)限制条件：三、MC1496/1596 集成模拟相乘器1.电路组成三、MC1496/1596 集成模拟相乘器与双差分对模拟相 乘器原理电路比较。 1.电路组成三、MC1496/1596 集成模拟相乘器虚线框内为MC1496/1596 内部电路电流源基准电路调外接电阻R5可调I0/21.电路组成虚线框内为MC1496/1596 内部电路外接负反馈电阻 扩展u2动态范围外接集电极负载电阻1.电路组成三、MC1496/1596 集成模拟相乘器虚线框内为MC1496/1596 内部电路1.电路组成 2.电路分析 若 RY V5、V6管的re则iC5 iC6 iE5 iE6= 2u2/RY三、M

11、C1496/1596 集成模拟相乘器虚线框内为MC1496/1596 内部电路1.电路组成 2.电路分析 3.应用注意(1) u2动态范围为(2) V1V6管的基极均需外加偏置电压 。三、MC1496/1596 集成模拟相乘器+VCCuYRKRCMC1595129478512 R3RCuX146 10 11313 R13RXRYuO-VEEI0/2I0/2负反馈电阻，用以 扩大uX、uY范围四、MC1595集成模拟相乘器它在MC1496基础上增 加了与uY动态范围扩展电路 类似的uX动态范围扩展电路 ，成为四象限相乘器。设定1 脚电 位，以保证 各管工作于 放大区。总结1. 非线性器件具有频率

12、变换作用，其频率变换特性 与器件的工作状态有关。两个输入信号之一足够 小时，非线性器件工作在线性时变状态；另一信 号足够大时，非线性器件工作在开关状态，可减 少无用频率分量，适于频谱搬移电路。2. 相乘器是频谱搬移电路的重要组成部分,目前广泛采 用环形二极管相乘器和双差分集成模拟乘法器， 它们利用电路的对称性进一步减少无用频率分量 而获得理想的相乘结果。4.3 混频电路 三极管混频电路 双差分对模拟乘法器混频电路 二极管双平衡混频电路常用混频电路：混频器的主要技术指标1. 混频增益混频电压增益混频功率增益输出中频信号电压振幅输入高频信号电压振幅输出中频信号功率输入高频信号功率或:4.3 混频电

13、路主要技术指标当输入信号较小时，混频增益 为定值，输出中频功率随输入 信号功率线性地增大，以后由 于非线性，输出中频功率的增 大将趋于缓慢，直到比线性增 长低于1dB时所对应的输出中频 功率电平，称为：1dB压缩电平2. 噪声系数：3. 1dB压缩电平1dBPI（dBm） PI1dBPS（dBm）O4.3 混频电路主要技术指标5. 隔离度：4. 失真与干扰失真：混频器输出的中频信号的频谱结构与输入高频信号的频谱结构相比较发生变化。干扰：混频器输出的中频信号的频谱结构产生新的频率分量。主要有：组合频率干扰、交叉调制干扰、互相调制干扰等4.3 混频电路1. 晶体管混频器工作原理4.3.1 三极管混

14、频电路三极管混频器主要包括晶体管混 频器和场效应管混频器。在收音 机、电视机及米波雷达接收机等 接收设备中均有广泛应用。fI输入信号电压 本振电压基极偏压集电极偏压 LC为输出中频调谐回路，调谐在中频I(=L-c)上。本振信号电 压uL和输入信号电压us都从基极输入，和偏压VBB0迭加后加至三 极管的发射结上，利用其伏安特性的非线性来实现变频，再利用 三极管的放大特性对变频所得的中频电流进行放大，通过接在集 电极电路中的中频谐振回路取出中频电压uI，完成变频过程。 返回us=UsmcosctfIUB(t)=VBB0+uL=VBB0+ULmcosLt 当满足ULmUsm时，晶体三极管 可近似看成

15、是工作在受本振电压 控制的线性时变状态，如图所示 。4.3.1 晶体管混频器uBE=VBB+uL+us=UBB(t)+us iB=f1(uBE、uCE) f1 (uBE)=f1 UBB(t)+us iC=f2 (uBE、uCE) f2 (uBE)=f2 UBB(t)+usfIiB、 iC中的增量电流为：gi(t) = gi0 +2 gi1cosLt +2 gi2cos2Lt +gf(t) = gf0 +2 gf1cosLt +2 gf2cos2Lt +因为： UBB(t)中含有本振电压uL，所以，gi(t)和gf(t)必定是按 本振角频率作周期变化的时变增量参数，其付氏级数为：4.3.1 晶体管混频器fI输出端的有用分量为：混频输入电导混频跨导据此，可画出三极管用作混频时的小信号等效电路：UsmUImIsmIImgicUsm gfc+-+4.3.1 晶体管混频器gf(t)的图解分析1、在满足线性时变条件下，三极管混频电路可用类 似放大工作时的小信号等效电路进行分析。2、 混频跨导gfc的值等于时变正向传输电导gf(t)中角 频率为L的基波分量的一半。gfc随ULm变化的特性结论：4.3.1 晶体管混频器4.3.1 晶体管混频器4.3.1 晶体管混频器4.3.1 晶体管混频器4.3.2 场效应管混频器1、组成高频信号电压us经