模擬乘法器的應(yīng)用

1、摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成模擬乘法器應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，它不僅應(yīng)用于模擬量的運(yùn)算，還廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量?jī)x表、自動(dòng)控制等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。用集成模擬乘法器可以構(gòu)成性能優(yōu)良的調(diào)幅和檢波電路，其電路元件參數(shù)通常采用器件典型應(yīng)用參數(shù)值。作調(diào)幅時(shí)，高頻信號(hào)加到輸入端，低頻信號(hào)加到Y(jié)輸入端；作解調(diào)時(shí)，同步信號(hào)加到X輸入端，已調(diào)信號(hào)加到Y(jié)輸入端。調(diào)試時(shí)，首先檢查器件各管腳直流電位應(yīng)符合要求，其次調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使電路達(dá)到平衡。集成模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬信號(hào)相乘的器件，它廣泛用于乘法、除法、乘方和開(kāi)方等模擬運(yùn)算，同時(shí)也廣泛用于信息傳輸系統(tǒng)作為調(diào)幅、解調(diào)、混頻、鑒相和自動(dòng)增益控制電路，是一種通用性很強(qiáng)的非線性電子

2、器件，目前已有多種形式、多品種的單片集成電路，同時(shí)它也是現(xiàn)代一些專用模擬集成系統(tǒng)中的重要單元。作調(diào)幅時(shí)，高頻信號(hào)加到輸入端，低頻信號(hào)加到Y(jié)輸入端；作檢波時(shí)，同步信號(hào)加到X輸入端，已調(diào)信號(hào)加到Y(jié)輸入端。調(diào)試時(shí)，首先檢查器件各管腳直流電位應(yīng)符合要求，其次調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使電路達(dá)到平衡。還需注意：（1）Y端輸入信號(hào)幅度不應(yīng)超過(guò)允許的線性范圍，其大小與反饋電阻R有關(guān)，否則輸出波形會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失真；（2）X端輸入信號(hào)可采用小信號(hào)（小于26mV或者大信號(hào)（大于260mV,采用大信號(hào)可獲得較大的調(diào)幅或解凋信號(hào)輸出。信息傳輸系統(tǒng)中，檢波是用以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸及信道復(fù)用的重要手段。由于低頻信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸

3、，若將它裝載在高頻信號(hào)上，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，當(dāng)使用不同頻率的高頻信號(hào)，可以避免各種信號(hào)之間的干擾，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。關(guān)鍵詞：模擬乘法器，調(diào)幅器，檢波器，MC1496目錄第一章、集成模擬乘法器的工作原理2第一節(jié)、模擬乘法器的基本特性2一、模擬乘法器的類型2第二節(jié)、變跨導(dǎo)模擬乘法器的基本工作原理2第三節(jié)、單片集成模擬乘法器3第二章、集成模擬乘法器的應(yīng)用4第一節(jié)、基本運(yùn)算電路4一、平方運(yùn)算4二、除法運(yùn)算器5三、平方根運(yùn)算5四、壓控增益5第二節(jié)、倍頻、混頻與鑒相6一、倍頻電路6二、混頻電路6三、鑒相電路6第三節(jié)、調(diào)幅與解調(diào)7一、信息傳輸?shù)幕靖拍?二、調(diào)幅原理8三、采用乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)（檢波）10第三章

4、、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的振幅器10第一節(jié)、振幅調(diào)制的基本概念10第二節(jié)、抑制載波振幅調(diào)制13第三節(jié)、有載波振幅調(diào)制14第四章、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波器14總結(jié)18參考文獻(xiàn)18附錄19第一章、集成模擬乘法器的工作原理第一節(jié)、模擬乘法器的基本特性模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘功能的器件，理想乘法器的輸出電壓與同一時(shí)刻兩個(gè)輸入電壓瞬時(shí)值的乘積成正比，而且輸入電壓的波形、幅度、極性和頻率可以是任意的。其符號(hào)如下圖所示，K為乘法器的增益系數(shù)。一.模擬乘法器的類型榭賺電胳猾n0=曲單象限乘法器T憫幃入啦都只能酬一穆性,即kI管為固定極性。仆二家限乘搦-服一恃人/能甌I、負(fù)極(性郵拐一個(gè)

5、豺舊壓只嗣甑一刖板也,四象限乘端-能夠適麗個(gè)獻(xiàn)施端極戰(zhàn)理想乘法器一對(duì)輸入電壓沒(méi)有限制，Ux=0或Uy=0時(shí)，UQ=0,輸入電壓的波形、幅度、極性和頻率可以是任意的。實(shí)際乘法器一ux=0,uy=0時(shí)，uO10,此時(shí)的輸出電壓稱為輸出輸出失調(diào)電壓。Ux=0,Uy10(或Uy=0,Ux10)時(shí)，Uo10,這是由于Uy(火)信號(hào)直接流通到輸出端而形成的，此時(shí)的輸出電壓為Uy(Ux)的輸出饋通電壓。第二節(jié)、變跨導(dǎo)模擬乘法器的基本工作原理變跨導(dǎo)模擬乘法器是在帶電流源差分放大電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具基本原理電路如下圖所示。模擬乘法器原理圖R-PJlx九1'2(7、二%+(1+為黃川。十加丁

6、1;0=B理&-«旦£.外2(1+“T2力x當(dāng)科Y>“BE3時(shí)，C3"丫&E/?C“K"甘知K"x畋2/明網(wǎng)%的乘積成正比，所故為一象限乘法器。在室溫下，K為常數(shù)，可見(jiàn)輸出電壓uO與輸入電壓uy、以差分放大電路具有乘法功能。但Uy必須為正才能正常工作,當(dāng)UY較小時(shí)，相乘結(jié)果誤差較大，因Ic3隨Uy而變，其比值為電導(dǎo)量，稱變跨導(dǎo)乘法器第三節(jié)、單片集成模擬乘法器實(shí)用變跨導(dǎo)模擬乘法器由兩個(gè)具有壓控電流源的差分電路組成，稱為雙差分對(duì)模擬乘法器，也稱為雙平衡模擬乘法器。屬于這一類的單片集成模擬乘法器有MC1496MC159胖。MC1

7、49吶部電路如下圖所示。V】、Vp%模擬乘法器%V67m乘瑞%、顯用源醺心小屁源繇%、%,北%yix負(fù)反點(diǎn)獷大的的觸動(dòng)態(tài)謔耳%=M%=K"別丫輻系數(shù)K二a-其中，%又ux<t(=2dmV),-yJ?Y<u7yJ?Y第二章、集成模擬乘法器的應(yīng)用第一節(jié)、基本運(yùn)算電路一、平算將模擬乘法器的兩個(gè)輸入端輸入相同的信號(hào)，平方運(yùn)算電路如下圖所示:平方運(yùn)算電路由模世乘法器可得及二一二的=KuoIH除法運(yùn)算電路條件；的與必須反相（保證負(fù)反饋）二、除算器由集成運(yùn)放和模擬乘法器組成，除法運(yùn)算電路如上圖所示。當(dāng)U1>0時(shí)，uO<0,為使u3<0,則u2>0;當(dāng)u1V0時(shí)，

8、uO>0,為使u3>0,則U2>00三、平艮運(yùn)算壓橙增益電路«0=犯凸設(shè)收=5則"o=（A【xqM調(diào)節(jié)直流電壓%>則調(diào)中電路增益四、壓控增益改變直流電壓Uq的大小，就可以調(diào)節(jié)電路的增益第二節(jié)、倍頻、混頻與鑒相一、倍頻電路倍頻電路當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)為同頻率的信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)兩倍頻作用。如下圖所示M=U；1ncos6t)t1UIHlWq=cos®/):=-XL2in41+cos2firf)2.經(jīng)電容隔直：itcos2®/°2二、混頻電路模擬乘法器的輸出為兩個(gè)輸入信號(hào)的和頻和差頻信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了混頻作用,若用濾波器取出和頻（信或差頻）號(hào)

9、輸出，就稱為混頻，電路如下圖所示«¥二匕小°呷=；KQ加士歹飩一叼陰和頻差頻三、鑒相電路鑒相電路用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差，即它的輸出電壓與兩輸入信號(hào)之間的相位差成正比，用模擬乘法器構(gòu)成的鑒相電路如下圖所示。作出Uo與小的關(guān)系曲線稱為鑒相特性曲線，當(dāng)|（I）|<0,5rad（約30°）時(shí)，sin小=小，鑒相特性接近于線性。1,=仁3碗正花鑒相特性<=甚1皿1刖疝H8+我)£瞰"=-+)+sm經(jīng)低通濾波器濾出高頻分量得；廣二4笈IxiJm號(hào)山二1%msin中*&9M0.5r/d)第三節(jié)、調(diào)幅與解調(diào)一、信思傳輸?shù)幕?/p>

10、概念(1)、對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的原因A、根據(jù)電磁波理論，天線尺寸大于信號(hào)波長(zhǎng)的十分之一，信號(hào)才能有效發(fā)射。如聲音信號(hào)的頻率范圍為0.16kHz。設(shè)f=1kHz,入=C/?=3x108/103=3X105(m,顯然，低頻信號(hào)直接發(fā)射是不現(xiàn)實(shí)的。B、使接收者能區(qū)分不同信號(hào)。(2)、調(diào)制和解調(diào)調(diào)制(Modulation)一將低頻信號(hào)裝載于高頻信號(hào)。解調(diào)(Demodulation)一將已調(diào)信號(hào)還原為低頻信號(hào)。(3)、調(diào)制(解調(diào))的方式調(diào)幅AM(檢波)、調(diào)頻FM(鑒頻)、調(diào)相PM(鑒相)(4)、信息傳輸系統(tǒng)輸入信息信息傳輸系統(tǒng)二、調(diào)幅原理用低頻信號(hào)去改變高頻信號(hào)的幅度，稱為調(diào)幅。經(jīng)調(diào)幅后的高頻信號(hào)稱調(diào)幅

11、信號(hào)，把沒(méi)有調(diào)幅的等幅高頻信號(hào)稱為載波信號(hào)，它是運(yùn)載低頻信號(hào)的工具。(1)、單頻調(diào)制波形單頻調(diào)制時(shí)調(diào)幅波浪形(。低頻信號(hào)高頻信號(hào)(C1已調(diào)波建口(')二'DnCON。，=Ucos2iiFt%=4cosJ=%C0W已調(diào)波根g為.I,cm+及國(guó)匚凡COSQ/己調(diào)波為：口(。=«二十cosQr)cosro/(2)、采用乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅采用模擬乘法器構(gòu)成的調(diào)幅電路如下圖所示。調(diào)幅系數(shù)表示載波受低頻信號(hào)控制的程度，為了不產(chǎn)生調(diào)幅失真，要求UQ二Uqm。加幅電路南量圖固定的直流電源高轆號(hào)訓(xùn)幅系數(shù)Wy=PYQ+。樂(lè)。050r,%=K醒x%4=砥%+%產(chǎn)。%產(chǎn)。3=/lyq(1+-CO

12、*岫限&。捌J1YQ二K%Cm(l+k。加心空“二%(1+網(wǎng)COM。期邛=【益0叫r+。帆+/+啦1。0幽-3(3)、調(diào)幅波(已調(diào)波)頻譜|1Gm1幾=Cm8$修2由"而+1，&U而co$(g+Q)tc?l通!/+icos(e-Q)/產(chǎn)工修一下退頁(yè)載頻上邊頻載斛身不包含信息調(diào)幅波頻譜(4)、雙邊帶調(diào)幅和單邊帶調(diào)幅由于載波本身不包含信息，為了提高設(shè)備的功率利用率，可以不傳送載波而只傳送兩個(gè)邊帶信號(hào)，這種調(diào)制方式稱為抑制載波雙邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)稱雙邊調(diào)幅，用DSBfe示。由于上、下邊頻帶中的任何一個(gè)邊頻帶以及功能包含調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此為了節(jié)省占有的頻帶、提高波段利用率，可

13、以只傳送兩個(gè)邊帶信號(hào)中的任何一個(gè)，稱為抑制載波單邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)稱單邊調(diào)幅，用SSB表示。同步檢波電路框圖雙邊帶SB）調(diào)幅二=KUqJLco&Q'cosmJ二濟(jì)丁QJcos施+。+co式多-Q）H單邊帶感b）調(diào)幅%=1KW3儂+Q”cos(利一Q"三、采用乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)（檢波）調(diào)幅波的解調(diào)又稱幅度檢波，簡(jiǎn)稱檢波，它是調(diào)幅的反過(guò)程二州同步信號(hào)（S1=Q）若要解的為雙邊帶信號(hào)；ui=KUcoscosQfn=KtLil=KUILcosfti/cosQ/cos/U1IHUIIlLLI=1A7.(/oosQ，+JAT/二cosQ屋osIcotiimntilitDtftic原陽(yáng)制信片

14、高頻分量,濾除«r若要解調(diào)的為單邊帶信號(hào)：匕=KU1ncos(或+0%電口二勒冏二KU誦Umcos(fflc+fi)/cosft)cf=UU.UcosQZ+，即cos(2w+Q)t£_munn_11tlittu、c原嬲信號(hào)高頻分量源除第三章、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的振幅器第一節(jié)、振幅調(diào)制的基本概念振幅調(diào)制是使載波信號(hào)的峰值正比于調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值的變換過(guò)程。通常載波信號(hào)為高頻信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為低頻信號(hào)。設(shè)載波信號(hào)的表達(dá)式為Uc（t）=UcmCOSWct,調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式為Uc（t）=ufmcosOt,則調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式為Uo(t)-Urjl-mcosi)cosw£

15、t=Umc口sm十-m吹ecus(h,c+Q)t+m火山cosI2.式中.mCDS*調(diào)也系受t1m=u口m蟲(chóng)巾：-載波信號(hào)m山j(luò)ncus<+G)t上邊帶信號(hào)mUcmCOS(wc*0)t卜邊帶信號(hào)們的波形及頻譜如圖7-2所示L(h)toc-O叱(1>匚+£13出)調(diào)幅波頻譜圖3.1振幅調(diào)制由圖可見(jiàn)，調(diào)幅波中載波分量占有很大比重，因此信息的傳輸效率較低，稱這種調(diào)制為有載波調(diào)制。為提高信息傳輸效率，廣泛采用抑制載波的雙邊帶或單邊帶調(diào)幅調(diào)制。雙邊帶調(diào)幅波的表達(dá)式為山(t)二一研/COS(七。)LCOS-2)t7一UknCOSWctCOSct單邊帶調(diào)幅波的表達(dá)式為Uo(t)=mum

16、cos(wc+Q)t或Ju(j(t)=mucos(wc-f2)tMC149的成的調(diào)幅器電路圖如下：C3RR8CJ11_LIC"2MF圖3.2MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制器電路其中載波信號(hào)UC經(jīng)高頻耦合電容C2從ux端輸入，C3為高頻旁路電容，使8腳接地。調(diào)制信號(hào)UQ經(jīng)低頻耦合電容C1從uy端輸入，C4為低頻旁路電容，使4腳接地。調(diào)幅信號(hào)U0從12腳單端輸出。器件采用雙電源供電方式，所以5腳的偏置電阻R5接地，可計(jì)算出器件的靜態(tài)偏置電流I5或I0,即H莊卜。加-177L1.凡十500Q腳2與3間接入負(fù)反饋電阻RE以擴(kuò)展調(diào)制信號(hào)的UQ的線性動(dòng)態(tài)范圍,RE增大，線性范圍增大，但乘法器的增益隨

17、之減少。電阻R6R7、R8及RL為器件提供靜態(tài)偏置電壓，保證器件內(nèi)部的各個(gè)晶體管工作在放大狀態(tài)，所以阻值的選取應(yīng)滿足要求。對(duì)于圖3.2所示電路參數(shù)，測(cè)量器件的靜態(tài)(UC=0UQ=0)偏制電壓為u8u10u1u4u6u12u2u3u56V6V0V0V8.6V8.6V-0.7V-0.7V-6.8VR1、R2與電位器RP組成平衡調(diào)節(jié)電路，改變RP可以使乘法器實(shí)現(xiàn)抑制載波的振幅調(diào)制或有載波的振幅調(diào)制。第二節(jié)、抑制載波振幅調(diào)制Ux端輸入載波信號(hào)Uc(t),其頻率fc=20.945MHz,峰一峰值Ucp-p=40mVuy端輸入調(diào)制信號(hào)UQ(t),其頻率fQ=1kHz,先使峰-峰值UQP-P=0,調(diào)節(jié)RP使

18、/&出U0=0(止匕時(shí)U4=U,在逐漸增加UQP-P,則輸出信號(hào)UO(t)的幅度逐漸增大，最后出現(xiàn)如圖3.3(a)所示的抑制載波的調(diào)幅信號(hào)。由于器件內(nèi)部參數(shù)不可能完全對(duì)稱，致使輸出出現(xiàn)漏信號(hào)。腳1和4分別接電阻R3和R4可以較好地抑制載波漏信號(hào)和改善溫度性能。(a)抑制載波調(diào)幅波(b)有載波調(diào)幅波圖3.3乘法器輸出的調(diào)幅波第三節(jié)、有載波振幅調(diào)制Ux端輸入載波信號(hào)Uc(t),其頻率fc=20.945MHz,峰一峰值Ucp-p=40mV調(diào)節(jié)平衡電位器Rp,使輸出信號(hào)Uo(t)中有載波輸出(此時(shí)U1和U4不相等)。再?gòu)腢y端輸入調(diào)制信號(hào)，其fo=1kHz,當(dāng)Ucp-p由零逐漸增大時(shí)，則輸出信

19、號(hào)Uo(t)的幅度發(fā)生變化，最后出現(xiàn)如圖3.3(b)所示的有載波調(diào)幅信號(hào)的波形，調(diào)幅系數(shù)mx100%式中，Ummax黃福波幅度的苣大值:Ummin調(diào)幅波幅度的最小值第四章、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波器振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程稱為檢波。常用方法有包絡(luò)檢波和同步檢波兩種。由于有載波振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)直接反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，可以用二極管包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。而抑制載波的雙邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，所以無(wú)法用包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)，必須采用同步檢波方法。同步檢波又分為疊加型同步檢波和乘積型同步檢波。利用模擬乘法器的相乘原理，實(shí)現(xiàn)同步檢波是很方便的，其工作原

20、理如下：在乘法器的一個(gè)輸入端輸入振幅調(diào)制信號(hào)如抑制載波的雙邊帶信號(hào)us(t)=usmcoswctcosQt,另一輸入端輸入同步信號(hào)(即載波信號(hào))uc(t)=ucmcoswc，經(jīng)乘法器相乘，可得輸出信號(hào)UO(t)為U0(t)=1/2KEUcmCOS(wc+)tCOSWc=1/4KEUsmCOSt+1/4KEUsmUcmCOS(2Wcn)t(條件：Ux=Uc<26mV,Uy=Us為大信號(hào))上式中，第一項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號(hào)分量，第二項(xiàng)為高頻分量，也可以被低通濾波器濾掉。如果輸入信號(hào)Us(t)為有載波振幅調(diào)制信號(hào)，同步信號(hào)為載波信號(hào)Uc(t)利用乘法器的相乘原理，同樣也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。設(shè)Us=U

21、sm(1+MCOSt)COSWc(t),Uc(t)=UcmCOSWc則輸出電壓Uo(t)為Uo(t)=KEUs(t)Uc(t)=1/2KEUcm+1/2KERUcmCOSt+1/2KEUsmUcmCOS2Wc+1/4KERUIsmUcmCOS(2Wc+)t+1/4KERUIsmUcmCOS(2WcQ)t(條件：Ux=Uc<26mV,Uy=Us為大信號(hào))上式中，第一項(xiàng)為直流分量，第二項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號(hào)分量，后面三項(xiàng)為高頻分量，利用隔直電容及低通濾波器可濾掉直流分量及高頻分量，從而實(shí)現(xiàn)了有載波振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。MC1496模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波解調(diào)器電路如圖3.4所示。其中Ux端輸

22、入同步信號(hào)或載波信號(hào)UC,uy端輸入已調(diào)波信號(hào)US輸出端接有由R11與C&C7組成的低通濾波器及隔直電容C8,所以該電路對(duì)有載波調(diào)幅信號(hào)及抑制載波的調(diào)幅信號(hào)均可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。0?1UF+UCUSCiB,1UF1C2112-C6丸047UFC844UFUoHI-C?S.047UF圖3.4MC1496構(gòu)成的同步檢波器電路電路的解調(diào)操作過(guò)程如下：首先測(cè)量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)C應(yīng)與圖3.2電路的靜態(tài)工作點(diǎn)基本相同,再?gòu)膗x端輸入載波信號(hào)UC,其fC=20.945MHz,UCP-P=100mV先令uy=0,調(diào)節(jié)平衡電位器RP,使輸出U0=0,即為平衡狀態(tài).再?gòu)膗y端輸入有載波的調(diào)制信號(hào)US,其fC=20.945MHz,fn=1kHz,USP-P=200mV調(diào)制度m=100%這時(shí)乘法器的輸出UO(t)經(jīng)低通濾波器后的輸出U