第7章-1-振幅调制-10版高频电子线路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,振幅调制,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,振幅调制,第7章 振幅调制,7.1,概述,7.2,振幅调制原理及特性,7.3,振幅调制电路,7.4,振幅调制的解调,重点：,振幅调制波的基本特性(数学表达式，波形 图，频谱图，带宽，功率)。,解调原理,难点：,峰值包络检波器的工作原理,(1)调制：,用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程,信号,载波信号：（等幅）高频振荡信号,正弦波,方波,三角波,锯齿波,调制信号：,需要传输的信号,（原始信号）,语言,图像,密码,已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（,射频信号,）,振幅调制,解调（检波),混频（变频）,属于,频谱线性搬移电路,(2)解调：,调制的逆过程,，即从已调波中恢复原调制信号的过程,概述,(7)振幅调制分三种方式：,(5)相位调制：,调制信号控制载波相位,，使,已调波的相位随调,制信号线变化。,(6)解调方式：,(4)频率调制：,调制信号控制载波频率,，使,已调波的频率随调,制信号线性变化。,(3)振幅调制：由,调制信号去控制载波振幅,，使,已调信号的振,幅 随调制信号线性变化。,则有,其中：,若将,分解为：,动画7-1,一般，实际中传送的调制信号并非单一频率的信号，常为一个连续频谱的限带信号 。,则,2.调幅信号波形,波形特点：,1）调幅波的振幅（包络）变化规律,与调制信号波形一致,2)调幅度,m,a,反映了调幅的强弱程度,可以看出：,一般,m,a,值越大调幅越深,仿真07-1可改变调制度参数,同样含有三部分频率成份,(2)限带信号的调幅波,max,c,限带,信号,c,载波,调幅波,c,-,max,下边频带,c,+,max,上边频带,max,max,max,动画7-3,由于：,相加器,乘法器,直流,乘法器,相加器,4.AM信号的产生原理框图,可见,要完成AM调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。,仿真07-2、3,动画7-4,(4)边带功率，载波功率与平均功率之间的关系：,由于,在普通调幅波信号中，有用信息只携带在边频带内，而载波本身并不携带信息，但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分，因而调幅波的功率浪费大，效率低。,但,AM,波调制方便，解调方便，便于接收。如当,100%,调制时,(,m,a,=1),，双边带功率为载波功率的 ，只占用了调幅波功率的 ，而当,2,1,3,1,2,1,=,m,a,P,c,9,8,P,AM,=,2.波形与频谱,(1)DSB信号的包络正比于调制信号,(2)DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，,即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。,因此严格地说，,DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号,。,(3)DSB波的频谱成份中抑制了载波分量,，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。,(4)占用频带,动画7-5,调制信号,载波,上边频,下边频,仿真07-4,单,边带(SSB)信号是由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时的表示式为：,上边带信号,下边带信号,单边带,(single sideband SSB),信号,1,.,SSB,信号的,性质,在现代电子通信系统的设计中，为节约频带，提高系统的功率和带宽效率，常采用单边带（,SSB,）调制系统,max,限带,信号,c,载波,c,-,max,下边频带信号,c,+,max,上边频带信号,c,+,max,c,-,max,动画7-6,另外由三角公式：,(2),相移法,利用上三角公式的实现电路如下图所示：,乘法,器,乘法,器,0,0,相移,0,0,相移,加法,器,减法,器,仿真07-5,动画7-7,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，并且只需对某一固定的单频率信号移相,90,0,，从而回避了难以在宽带内准确移相,90,0,的缺点。,(3),移相滤波法,移相滤波法实现单边带调幅的电路框图,v,=sin,t,v,=sin,1,t,单频信号,u,c,=sin,c,t,载波,v,1,=sin,t,sin,1,t,v,2,=sin,t,cos,1,t,v,3,=cos,(,1,-,),t,v,4,=sin,(,1,-,),t,v,5,=cos,(,1,-,),t,sin,c,t,v,6,=sin,(,1,-,),t,cos,c,t,+,乘法器,90,0,移相,低通滤波,乘法器,低通滤波,乘法器,90,0,移相,乘法器,相加器,相减器,-,v,5,+,v,6,v,5,-,v,6,相加器输出电压：,v,SSBL,=,v,5,+,v,6,=sin(,c,+,1,)-,t,=sin,c1,-,t,相减器输出电压：,v,SSBU,=,v,5,-,v,6,=sin(,c,-,1,)+,t,=sin,c2,+,t,试分别画出下列电压表示式对应的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令,c,为的整数倍,）,(1),解:,普通调幅信号，,m,a,=1,，波形与频谱如下图所示：,试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令,c,为的整数倍,）,(2),解:,抑制载频双边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：,试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令,c,为的整数倍,）,(3),解:,单频调制的单边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：,振幅调制电路,低电平调幅电路,高电平调幅电路,1.二极管调幅电路,2.,集成模拟乘法器调幅电路,1.,集电极调幅电路,2.,基极调幅电路,高电平调制,：功放和调制同时进行，主要用于AM信号。,低电平调制,：先调制后功放，主要用于DSB、SSB以及FM信号。,通常分为：,1,低电平调幅电路,低电平调幅电路常采用v频率变换电路来实现,二极管调幅电路,集成模拟乘法器调幅电路,如下图所示的电路设:,(1)单二极管电路,且,则回路电流:,而,1.,二极管调幅电路,VD,v,s,v,c,+,-,+,-,R,L,L,C,i,d,+,-,v,L,+,-,v,d,Z,L,上半部分与下半部分电路对称其等效电路如右图所示。,1 电路结构：,(2)二极管平衡电路,2 工作原理分析：,设：,式中,而,仿真07-7,的频Z谱成份：,c,+,c,-,3,c,+,3,c,-,如果上半部分与下半部分谐振回路谐振在频率,c,处，且带宽,B,=2,，谐振时的负载阻抗,Z,L,=2,R,L,，则实际输出电压,u,L,为：,T,2,的初、次级匝比为,2:1,，,T,2,的次级输出电压为：,能实现,DSB,调幅信号的调幅。,设：,则有,VD,1,VD,3,2,C,2,L,R,L,T,2,VD,4,VD,2,T,3,T,1,VD,1,VD,3,2,C,2,L,R,L,T,2,VD,4,VD,2,T,3,T,1,+,v,L,-,v,+,-,v,+,-,+,-,v,c,+,-,v,c,v,+,-,工作原理,分析,当,时，平衡电路I在负载回路中产生的电压为：,时，平衡电路II在负载回路中产生的电压为：,当,而其中：,（3）二极管环形电路实现DSB信号,仿真07-8,那么在一个周期内平衡电路I，II在负载,R,L,上产生的电压为：,式中,式中,称为双向开关函数,的付里叶级数展开式为：,而,有,的频率成份：只有组合频率,性能更接近理想乘法器。,3,0,-3+,0,-+,经滤波后的输出电压：,T,2,的次级输出电压为：,t,S(t),u,c,(t),t,1,-,1,2,集成模拟乘法器调幅电路,等各种技术领域,模拟乘法器可应用于：,模拟相乘器的基本概念,模拟乘法器具有两个输入端（常称,X输入,和,Y输入,）和一个输出端（常称,Z输出,），,是一个三端口网络，电路符号如右图所示：,v,x,v,y,v,z,X,Y,Z,理想乘法器：,v,z,(t)=kv,x,(t)v,y,(t),式中：,k,为增益系数或标度因子，,单位：，k,的数值与乘法器的电路参数有关。,或 Z=kXY,（一）模拟相乘器基本概念,1)乘法器的工作象限,乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。,X,Y,X,max,-X,max,Y,max,-Y,max,输入电压可能有四种极性组合：,X Y Z,（+）（-）=（-）第,象限,（-）（-）=（+）第,象限,（-）（+）=（-）第,象限,（+）（+）=（+）第,象限,如果：两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为“单象,限乘法器”；一个输入信号适应两种极性，而一个只能是一种单,极性的乘法器为“二象限乘法器”；两个输入信号都能适应正、,负两种极性的乘法器为“,四象限乘法器,”。,2)理想乘法器的基本性质,乘法器的静态特性,（1）,（3）当,X=Y,或,X=-Y,，,Z=KX,2,或,Z=-KX,2,，,输出与输入是平方律特性（非线性）。,X,Y,X=Y,X=-Y,3)乘法器的线性和非线性,理想乘法器属于非线性器件还是线性,器件取决于两个输入电压的性质。,一般：,当X或Y为一恒定直流电压时，Z=KCY=KY，,乘法器为一个线性交流放大器。,当X和Y均不定时，乘法器属于非线性器件。,（2）当,X=C,（常数），,Z=KCY=K,Y，,Z,与,Y,成正比（线性关系）,X,Y,C0,C0,基本电路结构,是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管,VT,3,的基极输入了信号,u,y,(,t,),，即恒流源电流,I,o,受,u,y,(,t,),控制。,1、二象限变跨导模拟相乘器,V,CC,R,C,R,C,VT,3,VT,2,VT,1,u,y,u,x,R,E,u,be1,u,be2,i,c2,i,c1,I,o,u,be3,由图可知：,u,x,=,u,be1,-,u,be2,根据晶体三极管特性，,VT,1,、,VT,2,集电极电流为：,u,o,（二）模拟相乘器的基本单元电路,VT,3,的集电极电流可表示为：,可得：,同理可得：,式中，为双曲正切函数。,i,c1,、,i,c2,i,c1,i,c2,I,o,0,-3,3,2,1,-1,-2,V,CC,R,C,R,C,VT,3,VT,2,VT,1,u,y,u,x,R,E,u,be1,u,be2,i,c2,i,c1,I,o,u,be3,u,o,差分输出电流,i,o,为:,当,u,x,0,V,CC,R,C,R,C,VT,3,VT,2,VT,1,u,y,u,x,R,E,u,be1,u,be2,i,c2,i,c1,I,o,u,be3,u,o,R,c,R,c,V,cc,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,I,o,基本电路结构,VT,1,，VT,2,，VT,3,，VT,4,为双平衡的差分对，VT,5,，VT,6,差分对分别作为VT,1,，VT,2,和VT,3,，VT,4,双差分对的射极恒流源,。,(三),吉尔伯特（Gilbert）乘法器,1、Gilbert乘法单元电路组成,是一种四象限乘法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。,R,c,R,c,V,cc,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,I,o,工作原理分析,根据差分电路的工作原理：,输出电压：,+,u,x,-,+,u,y,-,+,u,o,-,i,A,i,B,i,2,i,1,i,3,i,4,i,5,i,6,而标度因子,Gilbert,乘法器单元电路，只有当,输入信号较小,时，具有较理想的相乘作用,u,x,，u,y,均可取正、负两极性，故为四象限乘法器电路，但因,其线性范围小,，不能满足实际应用的需要。,当输入为小信号并满足：,仿真07-14,I,oy,I,oy,R,c,R,c,V,cc,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,R,y,2、具有射极负反馈电阻的Gilbert乘法器,使用射极负反馈电路,R,y,，,可扩展,u,y,的线性范围，,R,y,取值应远大于晶体管,T,5,T,6,的发射极电阻，即有,静态时，,i,5,=i,6,=I,oY,当加入,信号,u,y,时，流过,R,y,的电流为：,i,A,i,B,+,u,x,-,+,u,o,-,i,Y,i,5,i,6,+,u,y,-,VT,5,VT,6,R,y,+,u,y,-,i,Y,I,oy,I,oy,R,c,R,c,V,cc,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,R,y,i,A,i,B,+,u,x,-,+,u,o,-,i,Y,仿真,07-15,i,5,i,6,+,u,y,-,如果,u,x,2U,T,=52mV时，,有,R,c,R,c,E,c,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,I,oy,I,oy,R,y,VD,1,VD,2,VT,7,VT,8,R,1,R,x,I,ox,I,ox,3、线性化Gilbert乘法器电路,具有射极负反馈电阻的双平衡Gilbert乘法器，尽管扩大了对输入信号,u,y,的线性动态范围，,但对输入信号,u,x,的线性动态范围仍较小,，在此基础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的原理电路，,其中VD,1,，VD,2,，VT,7,，VT,8,构成一个反双曲线正切函数电路。,u,x,u,x,u,y,u,o,VD,1,VD,2,VT,7,VT,8,R,1,R,x,I,ox,I,ox,R,c,R,c,E,c,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,I,oy,I,oy,R,y,VD,1,VD,2,VT,7,VT,8,R,1,R,x,I,ox,I,ox,u,x,u,y,u,x,工作原理分析：,i,7,i,x,i,8,i,y,i,A,i,B,V,T,7,，VT,8,，R,x,，I,ox,构成线性电压电流变换器。,有,u,o,而 为二极管,D,1,与,D,2,上的电压差，即:,+,U,D1,-,+,U,D2,-,i,D1,i,D2,R,c,R,c,E,c,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,I,oy,I,oy,R,y,VD,1,VD,2,VT,7,VT,8,R,1,R,x,I,ox,I,ox,u,x,u,y,u,x,i,7,i,x,i,8,i,y,i,A,i,B,u,o,仿真,07-16,+,U,D1,-,+,U,D2,-,i,D1,i,D2,其中标度因子：,可见大大扩展了电路对,u,x,和,u,y,的线性动态范围，改变电阻,R,x,或,I,ox,可很方便地改变相乘器的增益。,VT,5,VT,6,R,y,R,c,R,c,E,c,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,VT,7,VT,8,VD,R,y,R,5,-E,E,VT,7,VT,8,VD,（四）单片集成模拟乘法器及其典型应用,1、MC1496/MC1596及其应用,u,x,u,y,1)内部电路结构,与具有射极负反馈的双平,衡Gilbert 相乘器单元电路比,较，电路基本相同，,仅恒流源,用晶体管V,T,7,，VT,8,代替，二极,管VD与500 电阻构成V,T,7,，,VT,8,的偏置电路。,反偏电阻,R,y,外接在引脚、,两端，可展宽,u,y,输入信号的,动态范围，并可调整标度因子,K,。,2)外接元件参数的计算,i,y,+,u,y,-,负反馈电阻R,y,且应满足,|i,y,|0,V,Z,仿真,07-19,3,）,实用除法运算电路,电路中C为频率补偿电容,3、开平方运算电路,I,1,I,2,+,v,o,-,+,v,i,-,电路结构,乘法器构成的开平方电路接在运放的负反馈支路上，为了防止因 极性的改变及噪声的影响使运放发生正反馈堵塞现象，电路中接入了防止堵塞的二极管（当 时，,D,截止，环路不工作,工作原理分析：,其中,仿真,07-20,正电压开方运算电路,开立方运算电路,由右图电路可推出 ：,返回,继续,2.,集成模拟乘法器调幅电路,仿真07-9,用集成模拟相乘器来实现各种调幅电路，电路简单，性能优越且稳定，调整方便，利于设备的小型化。,R,1,51,R,6,R,W,50k,2,1k,3.9k,1k,C,2,C,2,u,o,-,E,E,=,-,8V,6,9,4,1,7,8,R,y,3,MC1596,5,10,E,C,=12V,R,4,R,4,R,5,u,x,u,y,R,2,R,3,R,7,R,8,R,9,C,2,C,2,1k,51,51,6.8k,750,750,3.9k,1）MC1596构成的调幅电路,R,c,R,c,E,c,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,VT,7,VT,8,VD,R,y,R,y,-E,E,X通道两输入端8脚和7脚直流电位相同，Y通道两,输入端,1,脚和,4,脚之间接有调零电路,可通过调节电位器,R,W,，使1脚电位比4脚高,U,o,，相当于在1、4脚之间加了一个直流电压,U,o,，以产生普通调,幅波,。,实际应用中，高频载波电压,u,c,加到X输入端口，调制信号电压,u,及直流电压,U,o,加到Y输入端口，从6脚单端输出AM信号。,仿真06-10,2)BG314,构成的调幅电路,R,L,u,x,u,y,13k,I,ox,10k,2,8.2k,R,1,1,14,12,9,4,R,w,8,13,3,R,13,R,3,7,-,E,E,=-15V,+15V,5,6,10,11,I,oy,E,C,=15V,-,15V,10k,R,wx,R,wy,2k,2k,R,x,R,y,BG314,（MC1595）,8.2k,10k,10k,10k,6.8k,3.3k,C,L,N,1,N,2,u,o,8脚附加补偿调零电压,U,XIS,，12脚除附加补偿零电压,U,YIS,。,u,x,=,u,c,=,U,cm,cos,c,t,u,y,=,u,-,(,-,U,o,)=,U,o,+,U,m,cos,t,若,2,、,14,脚两端外接,LC,谐振回路的等效谐振电阻为,R,L,，,则,2(,或,14),脚与地之间的负载为,R,L,推出变压器次级回路输出的调幅波电压为：,如果,u,y,=,u,=,U,m,cos,t,这种调制是在高频功率放大器中进行的，通常分为：,AM信号大都用于无线电广播，因此多用于高电平调制。,2,高电平调幅电路,基极调幅(Base AM),集电极调幅电路(Collector AM),发射极调幅(Emitter AM),R,b,C,b,VT,C,C,c,T,1,T,2,T,3,L,i,bo,电路中,C,b,为高频旁路电容；,C,c,对高频旁路，而对低频调制信号呈高阻抗；,R,b,为基极自给偏压电阻。放大器工作在丙类状态,，,集电极电路中除直流电压,E,C,外，还串有调制信号,集电极有效动态电源为,：,+,u,c,-,+,u,-,+,u,o,-,+,E,C,U,C,(t),1.,集电极调幅电路,临界,过压,欠压,E,C,u,(,t,),U,C,(t),i,C1m,(,t,),i,c,i,c,u,CE,E,c,u,(,t,),i,c,t,i,C1,t,U,c,(,t,),t,u,BEmax,动画7-8,在基极调幅电路中：,L,C,高频扼流,圈，,L,B,低频扼流圈，,C,e1,、,C,e2,、,C,2,、,C,3,、,C,4,、,C,C,高频旁路电容，,R,e,射极偏置电阻。低频,调制信号,u,(,t,),通过耦合电容,C,1,加在,电感线圈,L,B,上,。电源,E,C,经,R,1,、,R,2,分压为基极提供直流偏置电压,U,BO,，即,基极有效动态偏压为：,VT,T,1,T,2,L,C,L,B,C,1,C,e1,C,e2,C,C,C,2,C,3,C,4,C,R,e,R,1,R,2,基极调幅电路的调幅效率较低，,输出波形较差，但所要求基极输,入调制信号的功率较小。,E,C,U,BO,+,-,+,u,c,-,+,u,-,+,u,o,-,U,B,(t),2.,基极,调幅电路,i,c,u,CE,u,BEmax,临界,过压,欠压,U,Bo,u,(,t,),U,B,(,t,),i,c1m,(,t,),u,CE,t,i,c1,t,i,c,t,u,(,t,),i,c,动画7-9,