第五章高频电子电路ppt超好.ppt

5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路一、本章内容（一）本章重点.调幅波的性质，调幅波产生的理论分析；幂 级数分析法；.普通调幅波产生电路；3.大信号峰值包络检波；4.抑制载波调幅波的产生和解调电路。（二）本章难点.大信号基极、集电极调幅工作原理及设计、调整要点；.抑制载波双边带调幅。二、本章重点和难点三、符号 高频 低频四、三角函数复习五、数学分析方法 1）幂级数分析法（小信号）2）开关函数近似分析法（大信号）5.1概述通信的任务:就是传递各种信息（包括语言、音乐、文本、图像和数据等）根据信息传输方式的不同，通信可以分为两大类：无线通信和有线通信。无线通信:如果电信号是依靠空间电磁波辐射传送的，称为无线通信；有线通信:如果电信号是依靠导线（架空明线、电缆、光缆等）传送的，称为有线通信。对于无线通信天线实际长度与电信号的波长相比拟原始电信号必须有足够高的频率为了避免干扰需要将语音信号搬移到不同的高频段有线通信也可用该方式进行通信。调制过程：是用被传送的低频信号去控制高频振荡器，使高频振荡器输出信号的参数（幅度、频率、相位）相应于低频信号的变化而变化。从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播的。调制器：完成调制过程的装置叫调制器。解调过程：是调制的反过程，即把低频信号从高频载波上搬移下来的过程。解调过程在收信端。解调器：实现解调的装置叫解调器或叫检波器。注意：调制器和解调器必须由非线性元器件构成。它们可以是二极管或工作在非线区域的三极管。（可以进行频谱搬移）检波器与输入、输出波形5.2调幅信号的分析振幅调制：是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比地变化。经过振幅调制的高频载波称为振幅调制波（简称调幅波）。调幅波分类：普通调幅波（AM调制）、抑制载波的双边带调幅波(DSB/SC-AM）和抑制载波的单边带调幅波（SSB/SC-AM）。5.2.1普通调幅波（AM）1调幅波的表达式、波形设调制信号为单一频率的余弦波：载波信号：调幅波的振幅为调幅系数或调幅度Ka：为由调制电路决定的比例常数。特别注意：实现振幅调制后载波频率保持不变。已调波的表示式为：分析：调幅波也是一个高频振荡，而它的振幅变化规律（即包络变化）是与调制信号完全一致的。因此调幅波携带着原调制信号的信息。图5-1 调幅波的波形分析ma:1)调幅系数ma与调制电压成正比，既越大，ma越大，调幅波幅度变化越大；ma小于或等于1。2)如果ma1，调幅波产生失真，这种情况称为过调幅，在实际工作中应当避免产生过调幅。2.调幅波的频谱由三个高频分量组成：角频率为 的载波 称为上边频分量；称为下边频分量。载波频率分量的振幅仍为Ucm,而两个边频分量的振幅为1/2maUcm1）三个高频分量的振幅因ma的最大值只能等于1，故边频振幅的最大值不能超过1/2Ucm。注意：2）频谱图调幅波的频带宽度为调制信号频谱的两倍，即B=2F。分析：1）调幅的过程就是在频谱上将低频调制信号搬移到高频载波分量两侧的过程。2）在调幅波中，载波并不含有任何有用信息，要传送的信息只包含于边频分量中。3）边频的振幅反映了调制信号幅度的大小，边频的频谱虽属于高频范畴，但反映了调制信号频率的高低。注意：实际上调制信号不是单一频率的正弦波，而是包含若干频率分量的复杂波形（例如实际的话音信号就很复杂）。在多频调制时，如有若干个不同频率的信号所调制，其调幅波方程为：多频调幅波的频率成分：频带宽度：总的频带宽度为最高调制频率的两倍，即：结论：调制后调制信号的频谱被线性地搬移到载频的两边，成为调幅波的上、下边带。所以，调幅的过程实质上是一种频谱搬移的过程。3调幅波的功率理论依据：负载电阻吸收的功率为各项正弦分量单独作用时功率之和。载波分量功率：上边频分量功率：下边频分量功率：调幅波在调制信号的一个周期内给出的平均功率为分析：1边频功率随ma的增大而增加。2 当ma1时，边频功率为最大，AM信号总功率为：P=(3/2)Pc3这时上、下边频功率之和只有载波功率的一半，这也就是说，用这种调制方式，发送端发送的功率被不携带信息的载波占去了很大的比例，显然，这是很不经济的。解决办法：DSB、SSB5.2.2抑制载波双边带调幅（DSB/SC-AM）双边带调幅：由于载波不携带信息，因此，为了节省发射功率，可以只发射含有信息的上、下两个边带，而不发射载波，这种调制方式称为抑制载波的双边带调幅，简称双边带调幅，用DSB表示。实现方式：可将调制信号u和载波信号uc直接加到乘法器或平衡调幅器电路得到。双边带调幅信号写成：1)DSB/SC-AM 调幅波频谱与波形图A:为由调幅电路决定的系数.AUmUcmcost:是双边带高频信号的振幅，它与调制信号成正比。分析：高频信号的振幅按调制信号的规律变化，不是在Ucm的基础上，而是在零值的基础上变化，可正可负。因此，当调制信号从正半周进入负半周的瞬间（即调幅包络线过零点时），相应高频振荡的相位发生180度的突变。结论：双边带调幅波的包络已不再反映调制信号的变化规律。2)DSB/SC-AM 的特点 1.DSB/SC-AM 信号的幅值仍随调制信号而变化，但与普通调幅波不同，DSB/SC-AM 的包络不再反映调制信号的形状，仍保持调幅波频谱搬移的特征。2.在调制信号的正负半周，载波的相位反相，即高频振荡的相位在 f(t)=0 瞬间有1800 的突变。3.信号仍集中在载频 附近，所占频带为 BDSB=2Fmax问题：由于DSB调制抑制了载波，输出功率是有用信号，它比普通调幅经济。但在频带利用率上没有什么改进。解决办法：SSB采用单边带调幅的原因：上边带和下边带频谱结构相同，从传输信息的观点看，可以把其中的一个边带抑制掉，只保留一个边带（上边带或下边带）。这不仅可以节省发射功率，而且频带的宽度也缩小了一半，这对于波道特别拥挤的短波通信是很有利的。5.2.3抑制载波单边带调幅（SSB/SC-AM）单边带调幅：这种既抑制载波又只传送一个边带的调制方式，称为单边带调幅，用SSB表示。实现方法：调制信号u和uc经乘法器获得DSB信号，再通过带通滤波器滤出DSB信号的一个边带（上边带或下边带），便可获得SSB信号，当边带滤波器的通带位于载频以上时，提取上边带，否则就提取下边带。图5-6 实现单边带调幅信号的数学模型对高频带通滤波器的要求：具有非常陡峭的滤波特性，实现非常困难。由通过边带滤波器后，可得上边带或下边带：下边带信号 上边带信号 注意：三种调幅信号的比较：略。SSB信号的振幅与调制信号振幅成正比，它的频率随调制信号的频率不同而不同。5.3调幅波产生原理的理论分析 该节相关内容插在5.5 及5.6 节中，例如：5.5 中，小信号平方律检波用幂级数分析法；5.6 中，大信号调幅的数学分析用开关函数近似分析法。5.4 普通调幅波的产生电路一、引言叠加波=调幅波？必须通过非线性器件提出两个思考题。1）若在电阻R两端加入一个正弦波信号，此时在示波器观察R两端的波形应该是一个什么波形？2）若在电阻R两端加入一个调制信号和一个载波电压，此时在示波器观察两端的波形是什么波形呢？看到的是一个叠加波。叠加波调幅波，要得到调幅波，、必须通过非线性器件。1.叠加波=调幅波？，必须通过非线性器件。2.调幅的方法1）高、低电平2）从哪个极加入（基极、集电极、发射极调幅）3.实现调幅的方框图4.数学分析法大信号折线近似法小信号幂级数分析法 按功率电平的高低分为：高电平和低电平调幅电路 高电平调幅电路（用于发射机的最后一级）低电平调幅电路（用于发射机的前级）(1)低电平调幅电路 特点：电路简单，输出功率小 一般用模拟相乘器产生。(2)高电平调幅电路 特点：输出功率大，可提高整机效率。5.4.1低电平调幅电路利用模拟乘法器产生调幅波。5.4.2高电平调幅电路(大信号)定义：高电平调制电路是以调谐功率放大器为基础构成的，实际上它就是一个输出电压振幅受调制信号控制的调谐功率放大器。根据调制信号注入调幅器的方式不同：基极调幅、发射极调幅和集电极调幅下面介绍基极调幅和集电极调幅两种。（注意，设计要求不讲）1基极调幅电路（1）基本工作原理：Eb变化对放大器工作状态的影响基极调制特性基极调制特性:分析：特别注意icuce 在调制过程中，基极电压随调制信号的变化而变化，(调制信号相当于一个缓慢变化的偏压)使放大器的集电极脉冲电流的最大值icmax 和导通角 也按调制信号的大小而变化。思路 偏压往正向 时，icmax 和 增大；使 偏压往反向 时，icmax 和 减少，使 故输出电压幅值正好反映调制信号的波形。补充：iuutucmt 基极调幅波形图图5-11 基极调幅调制特性测试和调制特性曲线1.曲线只有中间一段接近线性，上部和下部都有2.较大的弯曲。上部弯曲是放大器进入过压状态3.下部弯曲则由于晶体管输入特性曲线起始部分4.弯曲而引起的。分析：2.为了减少调制失真，应将载波工作点选择在调制特性直线部分的中心，使被调放大器在调制信号电压变化范围内始终工作在欠压状态。这时可以得到较大的调幅度和较好的线性调幅。3.由于调制特性上部及下部呈现弯曲，为得到4.好的线性调制，只有减少调制电压幅度，即ma5.小于1。2集电极调幅（1）基本工作原理：Ec变化对放大器工作状态的影响集电极调制特性集电极调制特性：是指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能随集电极电源电压EC变化的特性。图5-14 集电极调幅电路电路分析：调制信号u与Ec串接在一起，故可将二者合在一起看作一个缓慢变化的综合电源ECC。ECC=u+EC所以，集电极调制电路就是一个具有缓慢变化电源的调谐放大器。理论依据：当ECC较大时，放大器工作在欠压状态，Ic1m随ECC变化很小；当ECC较小时，放大器工作在过压状态，ECC减小，Ic1m也迅速减小，随着Ic1m的变化，集电极电流脉冲的凹陷深浅发生变化，Ic1m随ECC变化比较明显。所以，只有放大器工作在过压状态，集电极电压对集电极电流才有较强的控制作用。在调制过程中，集电极电流脉冲的高度和凹陷程度均随的变化而变化，则Ic1m也跟随变化，从而实现了调幅作用。经过调谐回路的滤波作用，在放大器输出端即可获得已调信号。图5-15 集电极调制波形（a）（b）（c）（d）1）ECC=u+ECUcm的包络线反映了调制信号的波形变化。2）图5-15（b）表示脉冲的波形。由于工作在过压状态，ic 脉冲波形下凹。Ecc 愈小，过压愈深，脉冲下凹愈甚；Ecc 愈大，过压程度下降。脉冲下凹轻。图5-15（c）表示ib 脉冲的波形。它的幅值变化规律刚好与ic 相反，过压愈深，输入特性曲线左移愈多，ib 脉冲愈大（？）3）基极偏压Eb随Ecc变化的曲线，因为Eb=Ib0R1，所以Eb的变化规律与Ib0相同。4）（2）集电极调幅调制特性和测量电路当ECC(ECC)Cr时(ECC)Cr是临界状态的电源电压)，放大器工作在欠压状态，Ic1m随Ecc变化很小；当ECC(ECC)Cr时，放大器工作在过压状态，Ecc减小，Ic1m也迅速减小。随着Ic1m的变化，集电极电流脉冲的凹陷深浅发生变化，Ic1m随ECC变化比较明显。只有放大器工作在过压状态，集电极电压对集电极电流才有较强的控制作用。在过压状态时，ECC对Ic1m的控制作用大，可以使Ic1m从零到（Ic1m）Cr之间变化，有可能实现ma=1调制。集电极调幅的调制特性并不理想，原因：解决办法：在电路中引入非线性补偿措施，补偿的原则：在调制过程中，随着综合电源电压变化，输入激励电压也作相应的变化。例如：综合电源电压降低时，激励电压幅度也随之减小，调幅器不进入强过压区，而当电源电压提高时，激励电压也随之增大，调幅器也不进入欠压区，始终保持在弱过压临界状态。这样不但改善了调制特性，而且还保持较高的效率。实现的方法：方法1 采用基极自给偏压 由图（c）知道，Ib0 随调制信号而变，它造成的自给偏压（Ib0 R1）也相应地变化。当Ecc 降低时，过压深度增大,Ib0 增大，反偏压也增大，相当于激励电压变小，从而使过压深度减轻。当Ecc 提高时，则情况相反，放大器也不会进入欠压区工作。因此，采用基极自给偏压在一定程度上改善了放大器的调制特性。方法2采用双重集电极调幅图5-17双重集电极调幅 调制信号同时对两级调幅器进行集电极调制，调幅器（）的输出作为调幅器（）的激励号。当调幅器（）受调制信号控制集电极电源电压升高时，它的激励信号也在增大；反之，调幅器（）电源电压降低，激励也相应减小，达到了补偿的目的，使调特性得到改善。适当控制激励极的调制深度，可使总的调制特性接近线性。因为这种调制方式调制信号源同时控制两个调幅器，所以它必须能给出足够的输出功率。双重集电极调幅工作原理5.3调幅波产生原理的理论分析能产生调幅波的电路应具有相乘运算的功能，具有这种功能的器件和电路有多种，下面主要针对通信电子电路中应用较多的非线性器件和集成模拟乘法器进行分析。对其的分析方法：1.幂级数分析法2.3.：是静态工作点电压：是两个输入电压（如调制信号和载波）设非线性器件的伏安特性为：分析：当非线性器件同时输入两个电压信号时，器件的响应电流中存在着两个电压信号相乘项，例如，当n=2，m=1时,该项即为产生调幅波的有用项。响应电流中同时也存在着n2，m1的许多无用相乘项，这些项是干扰信号。解决办法：非线性器件的相乘作用不理想，必须采取措施尽量减小这些无用项。在工程上常采用的措施有：(1)选用平方律特性好的非线性器件，例如场效应管；选(2)择器件的合适工作点使它工作在特性接近平方律的区(3)域。(2)采用多个非线性器件组成的平衡电路、环形电路，抵消一部分无用组合频率分量。(3)减小输入信号u1和u2的幅值，以便减小高阶相乘项及(4)其产生的组合频率分量的强度。2线性时变分析法时变系数或称为时变参量:3指数函数分析法4.开关函数分析法在某些情况下，非线性器件受一个大信号的控制，轮换的导通和截止，相当于一个开关的作用。注意：5.5普通调幅波的解调电路解调:解调过程实质上就是调制过程的反过程。振幅调制的解调被称为检波，其作用是从调幅波中不失真地检出调制信号。采用方法：非相干解调和相干解调。非相干解调分类:小信号平方律检波和大信号包络检波。注意：重点讲授大信号包络检波。非相干解调检波器有如下质量要求：1检波效率（电压传输系数）是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。当检波器的输入为高频等幅波时，输出是直流电压；当检波器的输入是调幅波时，输出是调制信号。若输入等幅电压幅值为Ucm，检波器输出直流电压为Uo，则检波效率定义为：若输入调幅波，检波效率定义为输出低频电压幅值与输入高频调幅波包络幅值之比，即注意：检波器的检波效率越高，说明在同样的输入信号下，可以得到较大的低频信号输出。一般二极管检波器检波效率总小于1，设计电路时尽可能使它接近1。2检波失真检波失真是指输出电压和输入调幅波包络形状的相似程度。3输入阻抗Rin从检波器输入端看进去的等效阻抗称为输入阻抗。5.5.2大信号峰值包络检波注意：大信号检波输入信号电压幅值一般在500mV以上.图5-23 大信号检波电路1基本工作原理1）大信号检波过程是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。特点：快充慢放 rD二极管电阻 RL负载电阻ui(t)uo(t)(导通)C 充电,时间常数充=rDC(小)，充电快。ui(t)uo(t)（截止）C放电，时间常数放=RLC（大），放电慢。快充慢放，保证uo(t)接近ui(t)的包络。注：输出电压uo(t)的大小与输入电压的峰值 接近相等，故称为峰值包络检波。图5-24 大信号检波原理检波过程：设输入信号为ui为等幅高频电压（载波状态）且C上电荷为零在充电过程中，电容上的电压为uC，二极管两端的电压为：uc=uiuD=0ui的下一个正半周到来当C上的充电电荷等于C放电电荷时uc0开始充电停止充电ui继续减小uD截至C放电（放电缓慢）开始新一轮的冲、放电达到动态平衡1.RLrd(充电时间常数较小，充电速度快)2.RC电路的两个作用：3.a.作为检波器的负载，在其两端产生调制频率电4.压。5.b.起到高频电流的旁路作用。1.2）uo(t)的成分 音频成分有用输出；高频滤去 直流成分隔直流电容滤去，可用于 AGC（自动增益控制电路）。当输入信号很 大时，设法把管子发射结偏压降低一些。若检波器输入调幅波电压包络的幅度为，输出低频电压的振幅为，则 定义为2检波效率:又称电压传输系数，用d表示。它是检波器的主要性能指标之一，用来描述检波器将高频调幅波转换为低频电压的能力。1)定义当检波器输入为高频等幅波时，输出平均电压，则定义为注意：这两个定义是一致的，对于同一个检波器，它们的值是相同的。检波效率与电路参数RL、C、rD以及输入信号大小有关。2)电路参数（C RL，RL，r D）对检波效率的影响 测试条件：检波管2AP9，输入载波电压有效值Ui=1V。（1）在一定的RL下，d随CCRL的增大而提高。原因：CCRL反映电容放电时间常数CRL对载波周期Tc的比值（CCRL=2CRL/Tc）。CRL大，则放电慢。C大，则Tc小，在一周内的放电时间短，二者都有利于在C上积存更多的电荷，使d提高。CCRL对d的影响是不均匀的。CCRL110之间，其变化对d的影响很大。CCRL10100之间，它对d的影响就小得多。CCRL100时，基本上就显不出多大影响了。因此在选择CRL参数时，宜取大一些，但也不能过大，对提高d效果不明显，反而引起失真（在检波失真中讨论）。一般以即CCRL10100时可。结论：（2）在 CCRL一定条件下，RL大者d高。C相同时CRL一定，RL大必然伴有C的减小。这意味着放电速度不变，而充电加快（充电时间常数为rDC），电容可充到较高的电压，故d也有提高。原因：3）检波管的影响r D小，充电快，高4）信号强度对 的影响信号强度越大，大 越高图5-26 输入电压对 的影响 注意：在实际检波器的电路中，检波输出是通过耦合电容C接至下一级的输入端。(C对低频信号相当于短路)检波器对直流的负载电阻是：RL对检出的低频信号而言:检波器直流和交流负载不同，有区别。：表示交流负载时的检波效率3输入电阻对于高频输入信号源，检波器相当于一个负载，此负载就是检波器的等效输入电阻 Rin，它等于输入高频电压振幅与检波电流中基波（指载频）电流振幅 I1m 之比，即：Uo=I0RL4检波失真检波输出可能产生三种失真：第一种：由于检波二极管伏安特性弯曲引起的失真；第二种：由于滤波电容放电慢引起的失真，它叫对角线失真；第三种：由于输出耦合电容上所充的直流电压引起的失真，这种失真叫割底失真。注意：其中第一种失真主要存在于小信号检波器中，并且是小信号检波器中不可避免的失真，对于大信号检波器这种失真影响不大，主要是后两种失真，下面分别进行讨论。（1）对角线失真。原因分析：C每一周充放电一次，每次充到接近包络线的电压，使检波输出基本能跟上包络线的变化。C的放电规律是按指数曲线进行，时间常数为RLC，若很大，则放电很慢，可能在随后的若干高频周期内，包络线电压虽已下降，而C上的电压还大于包络线电压，这就使二极管反向截止，失去检波作用，直到包络线电压再次升到超过电容上的电压时，才恢复其检波功能。失真原因：放电太慢，包络线下降快,以致跟不上调幅波包络的变化。对角线失真（惰性失真、放电失真）：在二极管截止期间，检波输出波形是C的放电波形，呈倾斜的对角线形状，故叫对角线失真。也叫放电失真（惰性失真）。注意：放电愈慢或包络线下降愈快，则愈易发生这种失真。不失真的条件：函数在A点的变化速率，即对时间t求导，并取绝对值:要防止对角线失真现象，应使包络线下降速率小于RLC 放电速率，即（2）割底失真当输入信号 二极管D导通;当输入信号 二极管D截止。此时电容C上电压=E由等效电势E 维持，形成割底。图5-29 割底失真原 理及波形图图 5-29割底失真原理及波形图结论：结论：5.5.3普通调幅波同步解调电路由于集成电路的发展，在广播接收机、电视接收机电路中，多采用模拟乘法器来完成普通调幅波同步解调。开关函数5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.6.1抑制载波调幅电路定义：产生抑制载波调幅波的电路采用平衡、抵消的办法把载波抑制掉，故这种电路叫抑制载波调幅电路或叫平衡调幅电路。实现方式：目前广泛应用的是二极管环形调制器。设调制信号为单频余弦信号，即 载波信号为 注意：载波信号幅值很强，控制二极管工作在开关状态。图5-34 环形调制器各二极管工作情况特别注意：二极管工作在开关状态。式中，g 是二极管的输入电导。忽略上式中的高次项，用节点电流定律，可得到 电流 在输出变压器副边引起的感应电势就是输出电压 u,它的波形也与 同。可见，环形调制器输入电流是输入信号 和 的乘积，频谱是载频的上、下边频，没有载波分量，所以称其为抑制载波调幅电路。图5-35 环形调幅器电流、电压波形注意：5.6.2抑制载波调幅的解调电路注意：包络检波器只能解调普通调幅波，而不能解调DSB和SSB信号。这是由于后两种已调信号的包络并不反映调制信号的变化规律。解决办法：抑制载波调幅的解调必须采用同步检波电路。最常用的是乘积型同步检波电路和叠加型同步检波器。乘积型同步检波器的组成及工作原理：设输入的 DSB 信号及同步信号分别为（当两个载波有相差时）它与普通包络检波器的区别就在于接收端必须提供一个本地载波信号，而且要求它是与发送端的载波信号同频、同相的同步信号。利用这个外加的本地载波信号与接收端输入的调幅信号两者相乘，可以产生原调制信号分量和其它谐波组合分量，经低通滤波器后，就可解调出原调制信号。则乘法器的输出电压为：经低通滤波器滤除高频分量，则解调输出信号为:略。若输入信号是SSB 波，即特别注意：同步信号与发送端载波信号必须严格保持同频同相，否则就会引起解调失真。当相位相同而频率不等时，将产生明显的解调失真；当频率相等而相位不同时，则检波输出将产生相位失真。设输入的 DSB 信号及同步信号分别为（当两个载波有相差时）则乘法器的输出电压为：设 经低通滤波器滤除高频分量，则解调输出信号为 低频信号输出幅度与 成正比，当 时，解调输出为零。当 时，解调所得低频信号幅度最大。总结问题：如何产生一个与载波信号完全同频同相的同步信号？解决办法：对于双边带调幅波，同步信号可直接从输入的双边带调幅波中提取，即将双边带调幅波取平方。错误改正：应先限幅，后平方。单边带调幅波，同步信号无法提取,产生同步信号方法：1.发送端发送单边带信号的同时，附带发送一个功率远2.低于边带信号功率的载波信号，称为导频信号，接收3.端收到导频信号后，经放大就可以作为同步信号。也4.可用导频信号去控制接收端载波振荡器，使之输出的5.同步信号与发送端载波信号同步。乘积检波器的实现电路2.发送端和接收端均采用频率稳定度很高的石英晶体振荡器或频率合成器，以使两者频率稳定不变。