電子線路高頻非線性部分

1、第 4 章振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻(hn pn)電路4.4振幅調(diào)制(tiozh)與解調(diào)電路4.4.1振幅調(diào)制電路4.4.2二極管包絡(luò)檢波電路4.4.3同步檢波電路共三十三頁4.4.1振幅(zhnf)調(diào)制電路地位(dwi)：無線電發(fā)射機(jī)的重要組成部分。高電平調(diào)制低電平調(diào)制分類(按功率高低)： 高電平調(diào)制：調(diào)制置于發(fā)射機(jī)的末端，產(chǎn)生大功率的已調(diào)信號。 低電平調(diào)制：調(diào)制置于發(fā)射機(jī)的前端，產(chǎn)生小功率的已調(diào)信號，再通過多級線性功率放大器放大。 一、高電平調(diào)幅電路1優(yōu)點可不必采用效率較低的線性功率放大器，使發(fā)射機(jī)整機(jī)效率高。 共三十三頁2要求(yoqi) 要達(dá)到(d do)所需調(diào)制線性。 高效率地輸出足夠大的

2、已調(diào)信號功率。3電路 多采用高效率的丙類諧振功放，包括： 集電極調(diào)幅電路：根據(jù)諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性，調(diào)制信號加到集電極上； 基極調(diào)幅電路：根據(jù)諧振功率放大器的基極調(diào)制特性，調(diào)制信號加到基極上； 復(fù)合調(diào)幅電路：將調(diào)制信號同時加到集電極和基極上，以提高調(diào)制線性。共三十三頁二、低電平調(diào)制(tiozh)電路1用途(yngt)主要用來實現(xiàn)雙邊帶和單邊帶調(diào)制。2要求 調(diào)制線性好，載波抑制能力強(qiáng)，功率和效率的要求是次要的。 載波抑制能力的強(qiáng)弱可用載漏(輸出泄漏的載波分量低于邊帶分量的分貝數(shù))表示，分貝數(shù)越大，載漏就越小。 3. 種類前介紹的各種相乘器均可構(gòu)成性能優(yōu)良的平衡調(diào)制器，例如 1596、A

3、D630 平衡調(diào)制器等。 實用的低電平調(diào)制電路不再討論。僅討論以下內(nèi)容。共三十三頁4采用(ciyng)濾波法的單邊帶發(fā)射機(jī)(1)原理(yunl)采用濾波法的技術(shù)難度與載波頻率的高低密切相關(guān)。例如，假設(shè)調(diào)制信號的最低頻率為 100 Hz，若 載波頻率為 2 000 kHz ，則雙邊帶調(diào)制信號的兩個邊頻分別為 2 000.1 kHz 和 1 999.1 kHz，兩邊頻間隔為 0.2 kHz。取上邊頻，兩邊頻的相對間隔為(0.2/2 000.1)100% = 0.01%。 載頻減小為 50 kHz，上、下邊頻間隔仍為 0.2 kHz，則兩邊頻的相對間隔為 (0.2/50.1) 100% = 0.4%

4、。 相對間隔越大，濾波器就越容易實現(xiàn)。故單邊帶發(fā)射機(jī)在低載波頻率上產(chǎn)生單邊帶信號，而后用混頻器將載波頻率提升到所需的載波頻率上。 共三十三頁(2)組成(z chn)圖 4-4-3(a)采用濾波法的單邊帶發(fā)射機(jī)組成框圖共三十三頁圖 4-4-3(b)采用濾波法的單邊帶發(fā)射機(jī)組成框圖平衡調(diào)制器第一混頻器第二混頻器本振頻率/kHz相對頻率間隔邊帶最小頻率間隔/kHz100(載波)2 00026 0000.2200.24 200.20.2%9.4%14.9%共三十三頁 兩混頻器的輸出(shch)濾波器很容易取出所需分量，濾除無用分量。在某些單邊帶發(fā)射機(jī)中，為了使接收機(jī)便于產(chǎn)生同步信號，還發(fā)射低功率(gn

5、gl)的載波信號，稱為導(dǎo)頻信號，這個信號直接由 100 kHz 的振蕩信號通過載波抑制器衰減 10 30 dB 后疊加在單邊帶調(diào)制信號上。共三十三頁4.4.2二極管包絡(luò)檢波電路(dinl) 普通(ptng)調(diào)幅波，其載波分量未被抑制掉，可直接利用非線性器件實現(xiàn)相乘作用，得到所需的解調(diào)電壓，無需另加同步信號，稱為包絡(luò)檢波器。最常用的檢波器：二極管包絡(luò)檢波器(在集成電路中，主要采用三極管射極包絡(luò)檢波電路)。一、工作原理1電路圖 4-4-4原理電路類似二極管整流電路，由二極管 D 和低通濾波器 RLC 相串接構(gòu)成。特點：檢波二極管與負(fù)載 RL 相串聯(lián)。共三十三頁2原理(yunl) 輸入調(diào)幅信號(xn

6、ho)：vS(t) = Vmc(1 + Macos t)cosct，若其值足夠大，可設(shè)二極管伏安特性用在原點轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近。 (1)D 導(dǎo)通時，vS 向 C 充電， = RDC； (2)D 截止時，C 向 RL 放電， = RLC。圖 4-4-5檢波電路波形充放電達(dá)到動態(tài)平衡后，輸出電壓便將穩(wěn)定在平均值 vAV 上下按角頻率 c 作鋸齒狀波動圖 4-4-5(a)。 電流 i 為高度按輸入調(diào)幅信號包絡(luò)變化的窄脈沖序列，如圖 4-4-5(b)所示。 共三十三頁圖 4-4-5檢波電路波形即 vAV = VAV + Vmcos t 且其值與輸入調(diào)幅信號(xnho)包絡(luò) Vm0(1 + Macos

7、t) 成正比 VAV = dVm0，Vm= dMaVm0d ：檢波電壓(diny)傳輸系數(shù)(檢波系數(shù))，恒小于 1。二極管包絡(luò)檢波3討論共三十三頁(1)D 的作用(zuyng)原理上，D 起著受載波(zib)電壓控制的開關(guān)作用。實際上，受 RLC 電壓反作用，D 僅在載波一個周期中接近正峰值的一段時間(vS vC)內(nèi)導(dǎo)通(開關(guān)閉合)，而在大部分時間內(nèi)截止(開關(guān)斷開)。(2)D 導(dǎo)通與截止時間與 RLC 大小有關(guān)RLC C 向 RL的放電速度 C 的泄放電荷量 D 導(dǎo)通時間 鋸齒波動 vAV 增大。 為提高檢波性能，RLC 取值應(yīng)足夠大，要滿足和 RL RD 的條件。這時，根據(jù)上述討論可以認(rèn)為，

8、VAV Vm，即檢波電壓傳輸系數(shù) d 趨于 1，而疊加在 vAV 上的殘余高頻(輸出紋波)電壓趨于 0。共三十三頁二、輸入電阻1等效電路圖 4-4-6中頻放大器和檢波器級聯(lián)如圖 4-4-6(a)所示，檢波器前有中頻(zhngpn)放大器，其等效電路如圖 4-4-6(b)所示。iS 和 L1C1R1 中頻放大器折算到檢波器輸入端的等效(dn xio)電流源和輸出諧振回路(調(diào)諧在 c )。2負(fù)載效應(yīng)檢波器作為中頻放大器的輸出負(fù)載，可以用檢波輸入電阻 Ri 來表示這種負(fù)載效應(yīng)。共三十三頁(1)Ri 定義(dngy) 輸入(shr)高頻電壓振幅對二極管電流 i 中基波分量振幅的比值。(2)Ri 的求法

9、可近似從能量守恒原理求得。設(shè)輸入高頻等幅電壓 vS(t) = Vm cosct，則檢波器從輸入信號源獲得的高頻功率為輸出平均功率 設(shè) D 導(dǎo)通時間很短，i 在 RD 上消耗的功率可以忽略，故 PL Pi ，又VAV Vm(檢波電壓傳輸系數(shù) d 趨于 1)，由此可得共三十三頁(3)Ri 的作用(zuyng)使中頻諧振回路的諧振電阻由 R1 減小到(R1 / Ri) ，因此， iS 在諧振回路產(chǎn)生的高頻電壓振幅由未接檢波時的下降到接檢波后的 Vm。顯然 Ri 越小，Vm 也就越小于 ， 稱負(fù)載效應(yīng)。共三十三頁圖 4-4-7三極管射極包絡(luò)檢波電路(4)負(fù)載(fzi)效應(yīng)的抑制減小負(fù)載(fzi)效應(yīng)，

10、必須增大 Ri，即增大 RL。但增大 RL，受檢波器惰性失真(下面介紹)的限制。解決辦法：采用三極管射極包絡(luò)檢波電路。原理： 發(fā)射結(jié)等效檢波二極管； 輸入電阻比二極管檢波器增大了(1 + )倍(該檢波電路廣泛應(yīng)用于在集成電路中)。 可見，二極管包絡(luò)檢波器的輸入電阻 Ri 與輸出負(fù)載電阻 RL 直接相關(guān)。 共三十三頁三、并聯(lián)(bnglin)型二極管包絡(luò)檢波電路1電路(dinl)圖 4-4-8并聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波電路特點：中放-檢波工作點隔離。C ：負(fù)載電容，兼作中頻放大器和檢波器之間的隔直電容；RL：負(fù)載電阻，與二極管并接，故稱之為并聯(lián)型電路。2原理(與串聯(lián)型相同 )當(dāng) D 導(dǎo)通時，vS 通過

11、D 向 C 充電，充電常數(shù)為 RDC；當(dāng) D 截止時，C 通過 RL 放電，放電常數(shù)為 RLC。共三十三頁動態(tài)平衡后： C 上產(chǎn)生與串聯(lián)型電路(dinl)相類似的鋸齒狀波動電壓 vC，該電壓的平均值為 vAV (電流，“負(fù)半周輸出”)。 輸出電壓 vO 中還包括(直接通過 C 在輸出端產(chǎn)生的)高頻(o pn)電壓，故檢波后需加低通濾波器，濾除高頻(o pn)成分。 Ri 值：根據(jù)能量守恒原理，實際加到檢波器中的高頻功率，一部分直接消耗在 RL 上，一部分轉(zhuǎn)換為有用的輸出平均功率，即當(dāng) VAV Vm 時，輸入電阻比串聯(lián)型電路小。共三十三頁四、大信號(xnho)檢波和小信號(xnho)檢波(1)大

12、信號(xnho)檢波(包絡(luò)檢波) 條件：二極管伏安特性可用原點轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近(即輸入電壓足夠大，二極管工作在導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)時)故二極管包絡(luò)檢波的這種工作狀態(tài)稱為大信號檢波。 實際電路：均外加正向偏置電壓(或電流)，克服 VD(on) 的影響。在這種情況下，工程上，可認(rèn)為輸入高頻電壓振幅大于 500 mV 以上就能保證二極管檢波器工作在大信號檢波狀態(tài)。(2)小信號檢波 條件：vS 振幅 Vm 足夠小(幾至十幾毫伏)，此時，二極管應(yīng)設(shè)有很小的偏置電流。共三十三頁 分析：二極管伏安特性(txng)采用冪級數(shù)逼近，即這時，二極管在整個高頻周期內(nèi)導(dǎo)通，檢波器從信號源獲得到高頻功率大部分消耗(xioh

13、o)在 RD 上，加到二極管上的電壓 vD vS(t) = Vmcosct，將它帶入 i 的展開式共三十三頁 其中，所需的平均分量 IAV 由二次方項產(chǎn)生，其值為a2Vm2/2，相應(yīng)的輸出平均電壓(diny) VAV 也與 Vm 的平方成正比，故稱之為平方律檢波。 討論(toln)缺點 平方律檢波，輸出平均電壓 VAV 與 Vm 的平方成正比，故不能正確反映輸入調(diào)幅波的包絡(luò)變化而產(chǎn)生非線性失真。 檢波器獲得到高頻功率大部分消耗在 RD 上，因而可近似認(rèn)為即 Ri RD，其值小于大信號檢波(Ri RL)時的數(shù)值。共三十三頁由于小信號檢波存在(cnzi)上述缺點，故接收機(jī)中先將輸入信號放大再進(jìn)行檢

14、波，以保證工作在大信號檢波狀態(tài)。 在有效值電壓表等測量儀器(yq)中，利用小信號檢波的平方律特性，可以方便地測出被測信號的有效值電壓。在這類儀器(yq)中，小信號檢波獲得廣泛應(yīng)用。 共三十三頁五、二極管包絡(luò)檢波電路(dinl)中的失真 為保證檢波器不失真(sh zhn)，檢波器輸入調(diào)幅電壓 vS 必須足夠大，使檢波器始終工作在大信號檢波狀態(tài)。設(shè)vS(t) =Vm0(1+Macos t)cosct則包絡(luò)的最小值 Vm0(1Ma) 應(yīng)大于大信號檢波時所需的電壓值。當(dāng)二極管的導(dǎo)通電壓 VD(on) 由外加偏置電壓予以克服時，該電壓應(yīng)在 500 mV 以上。因而這種情況下，保證大信號檢波的條件為Vm0

15、(1 - Ma) 500 mV其次，當(dāng)輸入為復(fù)雜信號調(diào)制的調(diào)幅波時，若設(shè)最高調(diào)制頻率為 Fmax，為了不產(chǎn)生失真，RLC 的低通濾波器帶寬應(yīng)大于 Fmax。共三十三頁除此之外，當(dāng)解調(diào)調(diào)幅波時，如果電路參數(shù)選擇不當(dāng)，二極管包絡(luò)檢波器還會產(chǎn)生惰性(duxng)失真和負(fù)峰切割失真。 1惰性(duxng)失真(1)產(chǎn)生原因增大 RL 和 C 值，可提高檢波電壓傳輸系數(shù)和高頻濾波能力。但過大，二極管截止期間 C 通過 RL 的放電速度過慢跟不上輸入調(diào)幅波包絡(luò)的下降速度，輸出電平就會產(chǎn)生惰性失真。共三十三頁(a)(b)圖 4-4-9惰性失真(a)不產(chǎn)生惰性失真(b)產(chǎn)生惰性失真(2)避免(bmin)產(chǎn)生惰

16、性失真的條件為了避免產(chǎn)生惰性失真，必須在任何一個高頻周期內(nèi)，C 通過 RL 的放電(fng din)速度大于等于包絡(luò)的下降速度，即(4-4-6)共三十三頁可推得單音調(diào)制時不產(chǎn)生惰性(duxng)失真的充要條件(3) 分析(fnx)Ma和 越大，包絡(luò)的下降速度越快，不產(chǎn)生惰性失真所要求的 RLC 值必須越小。多音調(diào)制時，作為工程估算， 和 Ma 應(yīng)取其中的最大值。一般按 maxRLC 1.5 計算 。惰性失真共三十三頁2負(fù)峰切割(qig)失真(a)圖 4-4-10負(fù)峰的切割失真(1)檢波器的交直流負(fù)載(fzi)檢波器與下級放大器連接采用 阻容耦合電路，避免 vAV 中的直流分量 VAV 影響下級

17、放大器的靜態(tài)工作點。CC ： 隔直電容，要求它對 呈交流短路；Ri2 ：下級電路的輸入電阻。檢波器的交流負(fù)載：ZL( j ) RL / Ri2直流負(fù)載：ZL(0) = RL說明在這種檢波電路中，ZL(j) ZL(0)，且 ZL(j) ZL(0)(2)負(fù)峰切割失真共三十三頁圖 4-4-10負(fù)峰的切割失真當(dāng)輸入調(diào)幅波電壓的 Ma 較大時，由于交、直流負(fù)載不等，輸出音頻(ynpn)電壓在其負(fù)峰值附近將被削平，出現(xiàn)“負(fù)峰切割失真”，如圖 4-4-10 所示。 (3)失真的(zhn de)原因 正常情況無負(fù)峰切割若等幅波輸入，CC 上產(chǎn)生直流電壓：Vm0加到 D 的負(fù)端 當(dāng) Ma 較小時，加到 D 正端

18、的包絡(luò)電壓在一個周期內(nèi)總是大于VRL，二極管導(dǎo)通，工作正常。共三十三頁 異常情況有負(fù)峰切割(qig)若 Ma 較大，可能在 t1 - t2 內(nèi)，包絡(luò)電壓 Vm VRL，D 重新導(dǎo)通。Ma 越大，或 Ri2 越小，失真越大 避免負(fù)峰切割失真的條件(Vm0Ma Vm0) VRLMa 可見，交直流電阻越接近，不產(chǎn)生負(fù)峰切割失真所允許的 Ma 值就越接近于 1。負(fù)峰切割失真共三十三頁圖 4-4-11二極管檢波器的改進(jìn)電路 改進(jìn)(gijn)措施出發(fā)點：減小交、直流負(fù)載電阻的差別(chbi)。方法 1：將 RL 分成 RL1 和 RL2，當(dāng) RL 維持一定時， RL1 越大，交、直流負(fù)載電阻的差值就越小，但輸出音頻電壓也就越小。為了折中地