通信电子线路

温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第1页物理与电子信息学院第五章第3次课教案授课时间：第12周星期二12节授课类型：理论课授课题目：调幅电路（一）——二极管调幅电路本授课单元教学目标：介绍调幅电路的概况、主要类型，以低电平调幅中二极管调幅电路为重点讨论产生调幅信号的基本原理，学习用开关函数法分析电路。要求：通过本次课，了解调幅电路的基本类型，熟悉二极管平衡调制电路、二极管环形调制电路的电路形式、实现原理，掌握开关函数结合频谱图的分析方法。本授课单元教学重点和难点：二极管平衡调制电路的实现原理及开关函数分析法。本授课单元教学过程设计：1、过程设计：首先，复习前面课中调幅信号产生原理及分析方法部分的内容；接着，介绍本次课所教的电路的应用领域以引起学生们学习兴趣；然后，进入正题；最后，小结本次课教学内容。2、采用的方法：多媒体课件+板书；由浅入深，先从最简单的单二极管调幅电路开始分析，在介绍它的不足之处后引入双二极管平衡调幅电路，再通过分析其可改进之处引入四二极管的环形调幅电路。为鼓励学生积极思考，每一个电路讲解结束后让学生们分析该电路的优缺点以及可能改进的地方。本授课单元主要教学内容（见后）温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第2页物理与电子信息学院教学内容从本次课开始主要学习和讨论关于调幅波的产生和解调电路，共3次课，主要教学内容、课时安排及与书上章节的对应关系为：教学内空课时安排上课时间5.4普通调幅波的产生电路概述5.4.1低电平调幅电路二极管调制电路2第12周星期二12节差分对调制电路和模拟乘法器5.4.2高电平调幅电路基极调幅——重点集电极调幅——重点2第13周星期二12节5.5普通调幅波的解调电路概述5.5.1小信号平方律检波器5.4.2大信号峰值包络检波第五章小结2第13周星期五12节概述调幅的方法主要分两大类——低电平调幅和高电平调幅。1、低电平调幅低电平调幅将功率放大和调制分开。调制过程在低电平级进行。需要的调制功率小，电路简单。调制后的信号电平较低，功率较低，需要再经过功率放大器放大，达到一定的发射功率后再发送。一般放置在发射机的前级。DSB、SSB及FM均采用这种方式。其主要实现方法有二极管调制器、模拟乘法器调制器等。2、高电平调幅高电平调幅将功率放大和调制合二为一，直接产生达到输出功率要求的已调波。调制过程在高电平级进行，通常在高频功率放大器（丙类）中进行调制——输出电压振幅受调制信号控制的调谐功率放大器。不需效率低的线性放大器，有利于提高整机效率，但须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。通常放置在发射机的最后一级。主要用于形成AM信号，如许多广播发射机都采用这种方式。其实现方法主要有集电极调幅（调制信号控制集电极电源电压以实现调幅）和基极调幅（调制信号控制基极电源电压以实现调幅）。5.4.1低电平调幅电路低电平调幅电路主要包括：温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第3页物理与电子信息学院二极管调制电路单二极管调制电路二极管平衡电路二极管双平衡乘法器（环形乘法器）二极管双平衡乘法器（环形组件乘法器）差分对调制电路单差分对乘法器双差分对乘法器（压控吉尔伯特乘法器）集成电路XFCl596三差分对乘法器（四象限线性化可变跨导乘法器）集成电路BG314本次课主要讨论二极管调制电路。一、二极管调制电路1、单二极管电路单二极管电路如右图所示。当二极管两端的电压UD大于二极管的导通电压时，二极管导通，流过二极管的电流与加在两端的电压成正比；当二极管两端的电压UD小于二极管的导通电压时，二极管截止，电流为0；二极管等效为一个受控开关。控制电压为二极管两端电压UD。当UcmUΩm且Ucm为大信号（0.5V）时，可进一步认为二极管的通断主要由Uc控制。一般情况下二极管的开启电压UP较小，有UcmUP，可令UP近似为0或在电路中加一固定偏置电压来抵消UP。忽略输出电压的反作用，用开关函数分析法则可得到tntnUngttUgttUgtnUnngtUgtUgtUgtUgUgtUtUttguutkgiccmdnccmdccmdccmDnccmDccmDmDccmDcmDmccmccDccD12cos12cos121...3cos3cos3coscos2cos1212214cos1522cos32cos2cos2coscos3cos32cos221)(11可得到相应的频谱图如下：温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第4页物理与电子信息学院将它通过以ωc为中心、通频带2Ω为的带通滤波器后，可得到调幅波。这里的分析忽略了输出电压的反作用。是因为输出电压的相对于Uc而言很小。若考虑反作用，输出电压对二极管两端的电压影响不大，频率分量不会变化，可能使输出信号幅度降低（rDrD+RL）。另外，如果不满足大信号条件，不能用开关函数分析法或线性时变分析法，但可用幂级数分析法，可以知道该电路仍然可以完成频谱的线性搬移功能。2、二极管平衡调制器在单二极管电路中，由于工作在线性时变工作状态，因而二极管产生的频率分量大大减少了，但在产生的频率分量中，仍然有不少不必要的频率分量，因此有必要进一步减少一些频率分量。二极管平衡电路可以满足这一要求。其原理电路如右图。该电路由两个性能一致的二极管及中心抽头变压器Tr1、Tr2接成平衡电路。电路上下两部分完全一样。控制信号（载波信号）加在两个变压器的中心抽头处，输入信号（调制信号）接在输入变压器，即载波信号同相加到D1、D2上；调制信号u2反相加到D1、D2上输出变压器接滤波器，用以滤除无用的频率分量。从Tr2次向右看的负载电阻为RL。则该电路可等效成如左的原理电路形式。由于加到两个二极管的控制电压是同相的，利用开关函数分析法，可得到负载上总电流为tntnURRnttURRttURRtURRtUttRRuKRRiiiuuKRRiuuKRRiccmLDnccmLDccmLDmLDmccLDtLDLctLDctLDccc12cos12cos211221...3cos3cos2132coscos212cos21cos...3cos32cos221212212)(21)(211)(21)(2)(1温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第5页物理与电子信息学院其频谱图如下（学生们分析）与单二极管电路相比，i含有频谱：Ω、ω1±Ω、3ω1±Ω、……，经中心角频率为ωc的3dB带宽为2Ω的LC带通滤波器后，可在负载RL得到频谱ωc±Ω电压分量，可见是实现了DSB调制。这是不难理解的，由于控制电压uC同相地加在两个二极管的两端。当电路完全对称时，两个相等的ωC分量互相抵消，因此在输出中不再有ωC及其谐波分量。即在输出中，不必要的频率分量进一步减少了。（DSB调幅）以上分析中假设电路是完全对称的，因而可以抵消一些无用的频率分量，但实际上很难做到这点。例如由于两个二极管特性不一致，两个电流值将不同，从而形成载波信号的泄漏。为减少这种泄漏，首先要保证电路的对称性。一般采用以下方法：•使二极管的特性相同——用小电阻与二极管串接，使二极管等效正反电阻彼此接近；（会使电流减小，因此阻值不能大，一般为几十到几百欧。•使变压器中心抽头准确对称，分布电容及漏感对称——双线并绕法，在中心抽头处加平衡电阻；注意两线圈对地分布电容的对称性；为了防止杂散电磁耦合影响对称性，可采用屏蔽措施。为改善电路性能，应使其工作在理想开关状态，且二极管的通断只取决于载波电压，而与调制信号无关。为此：•理想开关状态——选择开关特性好的二极管，如热载流子二极管。载波远大于调制信号（10倍以上）。***二极管桥式调制器——二极管平衡调制器的另一形式（讨论）不需要中心抽头的变压器，四个二极管接成桥式，控制电压直接加到二极管上。当u2(uC)0时，四个二极管同时截止；uΩ直接加到T2上；u2(uC)0时，四个二极管导通，A、B两点短路，uΩ无输出，可得uAB(t)＝K(ωc)uΩ。3、二极管双平衡调制器——二极管环形调制器在二极管平衡调制电路中，通过两个单二极管电路的上下对称平衡接法，大大减少了不必要的频率分量，同时使有用频率分量的幅度增加了一倍。但依然有不必要的频率分量如调制信号的频率分量存在，且所得到的有用频率分量的幅度依然不是很大。那么，是否可以通过再平衡的方法进一步减少不必要的频率分量且让有用分量的幅度再增加一倍呢？二极管双平衡电路可以满足这一要求。其原理电路如图。温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第6页物理与电子信息学院该电路由两个双二极管平衡电路组成，由于四个二极管环接形成环路，所以该电路又称二极管环形调制器。载波从变压器T1接入，调制信号接到两个变压器的中心抽头间，变压器T2输出已调信号。其分析条件与单二极管电路和二极管平衡电路相同。各二极管工作情况如下图。则可得（学生们分析）其频谱图如下。i中含有频谱：ωc±Ω，3ωc±Ω……经中心为ωc、3dB带宽为2Ω的带通滤波器后，在负载RL上可得到频谱ωc±Ω电压频谱分量，实现了DSB调制。从频谱图中可以看出，环形电路在平衡电路的基础上，又消除了低频调制信号的频率分量，且输出的DSB信号幅度为平衡电路的二倍。其无调制信号分量是两次平衡抵消的结果，每个平衡电路自身抵消载波及谐波分量，两个平衡电路抵消调制信号分量，所以环形电路的性能更接近理想相乘器。前述平衡电路中的实际问题同样存在于环形电路中，在实际电路中仍需采取措施加以解决。另外还有一种更为有效的方法是采用环形电路组件（又称双平衡混频器组件或环形混频器组件）。11213212421243()()()2()()()442coscos3cos34coscos43DccDccDccLDccDccLLDccmDmccDigktuuigktuuigktuuigktktuigktuuiiiiiigttUtgUttgUcos3cos3mcctt温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第7页物理与电子信息学院其工作原理与二极管环形调制电路相同。现已有从短波到微波波段的系列产品提供。它由精密配对的肖特基二极管及传输线变压器装配而成，内部元件用硅胶粘接，外部用小型金属壳屏蔽。二极管和变压器在装入混频器前经过严格的筛选，能随强烈的震动、冲击和温度循环。其特点是：动态范围大、损耗小、频谱纯、隔离度高。部分国产双平衡混频器组件的特性参数见下表。思考题1、在二极管平衡调幅电路中，设二极管工作在开关状态。若一个二极管极性接反，能否实现平衡调幅？若一个二极管极性接反，且uc和uΩ的位置互换，能否实现平衡调幅？2、在二极管环形调幅电路中，若uc和uΩ的位置互换，能否实现调幅？tUttgiutKtKgiiiiiiuutKgiuutKgiuutKgiuutKgimccDLccDLLccDccDccDccDcos...3cos34cos42)()(2))(())(())(())((43124321温州大学教案《通信电子电路》5-3施肖菁第8页物理与电子信息学院本次课小结调幅电路主要有两大类实现方法——低电平调幅和高电平调幅。本次课主要介绍了低电平调幅