射频模拟电路-No6-第四章.ppt

1、电子科技大学 电子工程学院主要内容主要内容v频谱线性变换的一般概念频谱线性变换的一般概念 简单断点折线特性源 平方律特性源 指数特性源 受控差分特性源v振幅调制与解调振幅调制与解调v混频混频24-1 频谱搬移的一般概念频谱搬移的一般概念3v 调制、解调、混频等，需使用非线性电路,在频域上，属频谱搬移。 频谱线性变换，频谱线性变换实质上是将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移,如振幅调制与解调、混频等 频谱非线性变换，频谱非线性变换的作用是将输入信号频率进行特定的非线性变换，如频率调制、相位调制等4-1 频谱搬移的一般概念频谱搬移的一般概念4v 频谱搬移需要用非线性器件来实现 输入输出关系为折线

2、形式或开关段形式，即斜率有特变 输入输出关系为渐变形式，即斜率无突变4-1-1 单间断点折线特性源单间断点折线特性源54-1-2 平方律特性源平方律特性源64-1-3 指数特性源指数特性源74-1-4 受控差分特性源受控差分特性源8主要内容主要内容v频谱线性变换的一般概念频谱线性变换的一般概念v振幅调制与解调振幅调制与解调 普通振幅调制波 双边带与单边带 振幅调制电路 解调电路v混频混频94-2 振幅调制与解调振幅调制与解调v振幅调制振幅调制 振幅调制（AM）是指强迫高频载波的振幅随着低频调制信号变化而变化的调制过程 普通调幅波AM，抑制载波双边带调制DSB，单边带调制SSBv振幅调制波的解调

3、振幅调制波的解调 解调是调制的逆过程，普通振幅调制波的解调常常称为检波。104-2-2 普通振幅调制普通振幅调制波的功率波的功率114-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式设振幅应正比于信息 ，高频载波( )f tcosccmcvVt调幅波 ( )cos1coscmacacmccmv tVk f ttkVf ttV其中 为比例系数，设调制信号为单音余弦波ak ( )cosf tVtc ( )1coscos1coscosacmccmcmack Vv tVttVVmttaacmk VmV其中 称为调幅指数 12已调载波的振幅 (1cos)cmaVmt

4、最大值 (1)cmaVm最小值 (1)cmaVm( )coscoscos11coscos()cos()22cmcacmccmcacmcacmcv tVtm VttVtm Vtm VtcccmV振幅 12cmaV m单音调幅波由三个频率分量组成 ：载频振幅上边频下边频c4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式134-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式14(1)cmaVm调幅波的振幅的最小值为使调幅波的包络不失真，必须有1aacmk VmV峰值调幅指数 maxcmacmVVmV上谷值调幅指数 minc

5、macmVVmV下4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式15载波作用在单位电阻上的功率 212OTcmPV时变振幅 ，于是调制波作用在 上的功率为 (1cos)cmaVmt2221(1cos)(1cos2)cmOTaaPPmVtmt最大状态功率 2max(1)OTaPPm最小状态功率 2min(1)OTaPPm调制信号的一个周期内的平均功率 221(1)21(1cos)2OOTvaaaTPPmtdmtP 14-2-2 普通振幅调制普通振幅调制波的功率波的功率16其中 称为边频功率，即上下频分量的功率之和 212SBaOTPm P上下边频分量的振

6、幅相等，因此功率也相等 214aOTSBSBPPm P下上调幅波所占的频带宽度为：maxmaxmaxmax()()2222ccBFmaxF其中 为调制信号的最高频率 212avOTaOTOTSBPPm PPP4-2-2 普通振幅调制普通振幅调制波的功率波的功率进一步分解平均功率174-2-3 抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB）v抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制DSB 从传输信息的角度讲,普通调幅波中占发射功率绝大部分的载波是“无用的” 如果在频谱搬移后传输前将载波滤除，就可以在不影响传输效率的条件下大大节省发射机功率，这种模式就称为“抑制载波双边带调制（DSB）”vDSB(

7、)( )cosDSBcmcvtVf ttmaxmax222DSBBF所占的频带宽度为：184-2-3 单边带调制（单边带调制（SSB）v单边带调制单边带调制SSB DSB中，上下边频频谱对称，从传输信息的角度看，只要传输一半的频谱，就可以完整的传输调制信号的信息 将这种只传输DSB的一个边频信息的调制方式称为单边带调制SSBvSSB所占频带宽度所占频带宽度maxmax2SSBBF194-2-4 振幅调制电路振幅调制电路v 模拟乘法器模拟乘法器v 平方律调幅器：场效应管平方律调幅器：场效应管 ( )coscmacv tVk f tt22211101 12 12(1)2dDSSDSSDSSDSSP

8、PPvvviIIIIaa va vVVV( )cosf tVt( )cosccmcv tVt调制信号：载波信号：1( )coscoscmcv tVtVt 于是20201222011222coscoscoscos(1cos2)coscos2(1cos2)cos() cos() 2dcmccmccmccmccmcciaa VtVta VtVta VtaaVtaVta Vta V Vtt 4-2-4 振幅调制电路振幅调制电路从而滤出 频率分量，完成调幅c214-2-4 振幅调制电路振幅调制电路v 斩波调幅斩波调幅1,cos0( )0,cos0cctS tt122( )coscos3.23ccS tt

9、t傅立叶级数展开：( )( )( )122( ) (coscos3.)23accv tf tS tf ttt于是开关函数：224-2-4 振幅调制电路振幅调制电路*1,cos0( )1,cos0cctS tt*44( )coscos3.3ccS ttt傅立叶级数展开：*( )( )( )44( ) (coscos3.)3accv tf tS tf ttt于是双向开关函数：234-2-5 振幅调制解调模型振幅调制解调模型20 ( )( )cos11( )( )cos222cmmrccmmrcmmrcvtf t V K VtV K V f tf t V K Vt01( )( )( )( )2cmm

10、rv tV K V f tKf tf t24这种检波需要一个与载波同频同相的参考信号，因此称之为同步检波或相干检波。如果参考信号与载波信号不同频同相，会产生失真，使检波性能下降，即 0 ( )( )cos() coscmmrccvtf t V K Vtt 0( )( )cos()v tKf tt 4-2-5 振幅调制解调模型振幅调制解调模型254-2-6 二极管包络检波二极管包络检波26cdivKV4-2-6 二极管包络检波二极管包络检波v 定义电压定义电压传输系数传输系数（检波效率检波效率）v 流过二极管的电流是窄脉冲序列v 定义检波器定义检波器输入电阻输入电阻1dK 峰值包络检波器的 (实

11、际总是小于1)(12cos4cos2)davcciItt1122icidLavVvRRII1,2icavVv II274-2-6 二极管包络检波二极管包络检波284-2-6 二极管包络检波二极管包络检波000dddddg vvivcosiicvVtcosdcivvVt cosccivVmax()(1 cos)ddidiccg VVig V折线的斜率为 1/ddgRmax012(cos)(coscos)1 coscoscos2.dddicccccddcdciig VtvtIItIt294-2-6 二极管包络检波二极管包络检波0max0()ddcIi 1max1()ddcIi max()dndnc

12、Ii 0sincos1()1 cosccccc 1sincos1()1 cosccccc 2sincossincos1()(1)(1 cos)ccccnccnnnn n 01(sincos)coscdLdicccLicvIRg VRV1/33()dcLRR1/33coscos()ddcLRKR304-2-6 二极管包络检波二极管包络检波普通调幅波：(1cos)coscoscoscosAMiacicaicvVmtVm Vt大信号二极管包络检波器检波得到的低频解调波：( )coscosdaivtK m VtVt cosdaiaicVK m Vm V112iidLVRRI314-2-7 二极管包络检

13、波的失真二极管包络检波的失真v 频率失真频率失真 输出交流耦合电容Cc对低频有阻隔作用，引起低频失真 二极管结电容Cd对高频有旁路作用，引起高频失真324-2-7 二极管包络检波的失真二极管包络检波的失真v 非线性失真非线性失真 实际二极管的伏安特性曲线并非折线，当输入信号足够大时，可用折线模型来替代实际的曲线进行电路分析 当输入单音调幅波时，由于伏安特性曲线的影响，实际检波出来的波形是非理想的正弦波，此时发生的失真称为非线性失真334-2-7 二极管包络检波的失真二极管包络检波的失真v 惰性失真惰性失真 过大的RLC使在二极管在截止期间电容C通过电阻RL放电的速度过慢，跟不上输入调幅波包络变

14、化的速度，此时，输出的平均电压就会不沿着包络走，而产生惰性失真 避免惰性失真的条件是任何时刻电容C通过电阻RL放电的速度大于或等于包络变化的速度v 不产生惰性失真的条件：不产生惰性失真的条件：11cit tt tvvtt2max1/LaaR Cmm344-2-7 二极管包络检波的失真二极管包络检波的失真354-2-7 二极管包络检波的失真二极管包络检波的失真v 负峰切割失真负峰切割失真 由于隔直电容上始终有一个近似Vi的直流电压，它在RL上的分压 如果输入调幅波电压低于VRL，那么二极管始终截至，产生负峰切割失真 要避免负峰切割失真，必须满足v 不产生负峰切割失真的条件：不产生负峰切割失真的条

15、件：LRLiLieRVVRr()(0)ieLiaiRLaLieLrZjVm VVmRrZ()(0)ieLaLieLrZjmRrZ主要内容主要内容v频谱线性变换的一般概念频谱线性变换的一般概念v振幅调制与解调振幅调制与解调v混频混频 晶体管混频器 场效应管混频器 二极管混频器 混频器中的干扰和失真36v无线发射机无线发射机,接收机和频率合成中接收机和频率合成中,频谱搬移必不频谱搬移必不可少可少,混频是实现频谱搬移最常用的方法混频是实现频谱搬移最常用的方法,其作用其作用是将源的频率是将源的频率fs搬移到中间频率搬移到中间频率fI374-3 混频混频If称为中间频率或中频。变换关系是：IsLfffI

16、sLfff()sLffILsfff()Lsff上混频 高本振下混频 低本振下混频 下混频v变频增益变频增益(损耗损耗)v噪声系数噪声系数v动态范围动态范围v双音三阶交调与线性度双音三阶交调与线性度v工作频率工作频率v隔离度隔离度v镜像频率抑制度镜像频率抑制度v本振功率本振功率v端口性能端口性能384-3 混频混频394-3-1 晶体管混频器晶体管混频器404-3-1 晶体管混频器晶体管混频器由于信号电压来源于空中信号或远距离送来的微弱信号，而本地振荡器电压是本身振荡器产生的，振幅很大,可把本振电压看成是晶体管偏置电压的一部分，但这种偏置是时变偏置 , 其中 是直流偏置电压 0( )( )BBB

17、BLvtVv t0BBV本振电压: ( )cosLLLvtVt信号电压: ( )cossssv tVtLsVV 在本振电压作用下，工作点随时间而移动。由于信号电压振幅值很小，在任何时刻的工作点上，对信号而言都可以看成是线性的。这种分析问题的方法称为线性时变分析法。此时集电极电流: 0()()cbeBBLsif vf Vvv41在时变工作点上的泰勒级数展开式为：20001( )( )( )2!cBBLBBLsBBLsif Vv tf Vv t vfVv t vsv很小，忽略高次项得00( )( )cBBLBBLsif Vv tf Vv t v0( )( )BBLg tf Vv t定义时变电导 它

18、表示转移持性上随本振电压变化的时变工作点切线的斜率。 0( )BBLf Vvt表示时变工作点对应的 ci 与 一样，都是随 周期的变化的，因此可以写成傅立叶级数的形式cosLLVt( )g t0( )BBLf Vvt4-3-1 晶体管混频器晶体管混频器424-3-1 晶体管混频器晶体管混频器0012( )coscos2BBLccLcLf Vv tIItIt 012( )coscos2LLg tggtgt于是0101coscoscoscccLLssiIItggtVt01012(cos)cos1cos()cos() 21cos(2)cos(2) 2cccLsssLsLssLsLsiIItg Vtg

19、Vttg Vtt展开v定义定义变频跨导变频跨导为中频电流振幅值为中频电流振幅值 与信号电压振幅与信号电压振幅值之比，则值之比，则434-3-1 晶体管混频器晶体管混频器112IcsIggV滤波，取下混频 ILs11coscos2IsIIIigVtIt中频电流444-3-2 场效应管混频器场效应管混频器2(1)gsdDSSPviIV漏极电流：漏极电流：时变跨导：时变跨导：00coscos2( )(1)gsgsLcgsLcdDSSvVVtgsPPVVtiIg tvVV 变频跨导：变频跨导：1212DSSLcPIVggV454-3-3 二极管混频器二极管混频器小信号混频小信号混频小信号状态下，工作在

20、二极管特性的弯曲部分，二极管特性 可用级数展开：()Dif v2012DDiaa va v为了抵消部分非线性分量，可采用平衡混频器，上下完全对称。464-3-3 二极管混频器二极管混频器小信号混频小信号混频cossssvVtcosLLLvVt1223332cos2cos()cos() 1116 coscos(2)cos(2) 244312 coscos344sssLLsLssLsLsLssssiaVta VVtta VVttta VttLs平衡混颇器小信号工作可实现混频，包含 分量231212332462ssLsLsiiia va v va v va v小信号平衡混频器电流：信号和本地震荡：4

21、74-3-3 二极管混频器二极管混频器大信号混频大信号混频二极管大信号混频时可用开关模型分析，也称二极管开关混频。此时可忽略二极管特性曲线的弯曲部分，用折线来代替二极管。 48cos()ssssvVtcos()iiiivVt开关函数 122( )coscos323LLs ttt11cos()cos()2sdsssdIIIig Vtg Vt11cos()cos()2IdsssdIIIig Vtg Vt( )()dsiig s t vv112sdsdIIg Vg V112IdsdIIg Vg V4-3-3 二极管混频器二极管混频器大信号混频大信号混频49Ls5Ls|LIpq3Ls3LI5LI包含的

22、频率成分相比少了很多组合频率分量 与1112g21dgg4-3-3 二极管混频器二极管混频器大信号混频大信号混频201122ggg g2221201()VCgAggg变频损耗50与小信号二极管平衡混频的电路一样，只是分析时由于VL较大，二极管采用开关模型4-3-3 二极管混频器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频11( )()2dsiig s t vv21( )()2dsiig s tvv1211( )()( )()( )()22dsIdsIdsIiiig s t vvg s tvvg s t vv理想情况下，开关状态下平衡混频器的性能完全与单管工作的混频器相同。实际上开关工作状态

23、下的平衡混频器的组合频率分量产物总是少于大信号状态下单管开关混频器的产物，更少于本振小信号状态下的平衡混频器的产物。51正半周时，D2，D3导通； 负半周时，D1，D4导通。4-3-3 二极管混频器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频52回路方程 23()0sLddLvvi Rii R32()0sLddLvvi Rii R正半周232()2sLLdviiStRR4-3-3 二极管混频器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频负半周142()2sLLdviiStRR流过RL的总电流： 014232()() ()()2sLLLdviiiiiStStRR534-3-3 二极管混频

24、器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频*()()()LLLStStSt定义双向开关函数 54*02()2244cos(coscos3)2sLLdssLLLdviStRRVtttRR 4-3-3 二极管混频器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频组合频率分量进一步减少Ls3Ls5Ls中频电流 4cos()cos2sILsIILdVitItRR 双平衡混频器中包含的分量55信号口的输入阻抗 LdRR12SILdLSVRRRRI混频器全匹配siLRRR22SSLVPR4-3-3 二极管混频器二极管混频器平衡混频与环型混频平衡混频与环型混频42()2sLIsLdLdV RVV R

25、RRR2212IsLPVR信号功率中频功率中频电压混频损耗 210lg10lg44sIPLdBP562012( )if vaa va vcoscosLLssvVtVt于是组合频率分量 |,0,1,2,pqLsfpfqfp q 混频器由非线性器件组成，组合频率干扰是混频器中的特有现象，是形成干扰的源泉。一般情况下, p q增大，组合频率分量的振幅迅速减小 4-3-4 混频器中的干扰和失真混频器中的干扰和失真如果57组合频率分量 （F为音频 ）通过中频放大通道送入检波电路，在检波电路中再次“混频”，差拍出频率为F的哨叫声，这种干扰称为干扰哨声 |LsIpfqffF1sIpffqp要形成干扰哨声4-3-4 混频器中的干扰和失真混频器中的干扰和失真1LIqffqp或如果干扰信号 ，那么 ，于是干扰信号进入中频通道后被放大。特别的，当 时， 称为中频干扰当 时， 称为镜像干扰LkIpfqff IKLfpffqqkIffkLIfff0,1pq1,1pq584-24-44-84-94-104-114-124-134-14第四次作业第四次作业59