高频电子电路4.2.ppt

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1、4.3模拟相乘器及基本单元电路模拟相乘器及基本单元电路等各种技术领域等各种技术领域 模拟乘法器可应用于：模拟乘法器可应用于：4.3.1模拟相乘器的基本概念模拟相乘器的基本概念模拟乘法器具有两个输入端（常称模拟乘法器具有两个输入端（常称X输入和输入和Y输入）和一个输入）和一个输出端（常称输出端（常称Z输出），输出），是一个三端口网络，电路符号如右图所是一个三端口网络，电路符号如右图所示：示：uxuyuzXYZ理想乘法器：理想乘法器：uz(t)=kux(t)uy(t)式中：式中：k为增益系数或标度因子，为增益系数或标度因子，单位：单位：，k的数值与乘法器的电路参数有关。的数值与乘法器的电路参数有关

2、。或或Z=kXY继续继续返回返回一、乘法器的工作象限一、乘法器的工作象限乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。XYXmax-XmaxYmax-Ymax输入电压可能有四种极性组合：输入电压可能有四种极性组合：XYZ（+）（-）=（-）第第象象限限（-）（-）=（+）第第象象限限（-）（+）=（-）第第象象限限（+）（+）=（+）第第象象限限如果：两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为如果：两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为“单单象象限乘法器限乘法器”；一个输入信号适应两种极性，而一个只能是一种；一个输入信号适应两种极性

3、，而一个只能是一种单单极性的乘法器为极性的乘法器为“二象限乘法器二象限乘法器”；两个输入信号都能适应正、两个输入信号都能适应正、负两种极性的乘法器为负两种极性的乘法器为“四象限乘法器四象限乘法器”。二、理想乘法器的基本性质二、理想乘法器的基本性质1、乘法器的静态特性、乘法器的静态特性（1）继续继续返回返回（3）当）当X=Y或或X=-Y，Z=KX2或或Z=-KX2，输出与输入是平方律特性（非线性）。输出与输入是平方律特性（非线性）。XYX=YX=-Y2、乘法器的线性和非线性、乘法器的线性和非线性理想乘法器属于非线性器件还是线性理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质。器件取决

4、于两个输入电压的性质。一般：一般：当当X或或Y为一恒定直流电压时，为一恒定直流电压时，Z=KCY=KY，乘法器为一个线性交流放大器。乘法器为一个线性交流放大器。当当X和和Y均不定时，乘法器属于非线性器件。均不定时，乘法器属于非线性器件。（2）当）当X=C（常数），常数），Z=KCY=KY，Z与与Y成正比（线性关系）成正比（线性关系）XYC0C0继续继续返回返回基本电路结构基本电路结构是一个恒流源差分放大电路，不同之处是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管在于恒流源管VT3的基极输入了信号的基极输入了信号uy(t)，即恒流源电流即恒流源电流Io受受uy(t)控制。控制。4.3.2模拟相乘

5、器的基本单元电路模拟相乘器的基本单元电路1、二象限变跨导模拟相乘器、二象限变跨导模拟相乘器ECRCRCVT3VT2VT1uyuxREube1ube2ic2ic1Ioube3由图可知：由图可知：ux=ube1-ube2 根据晶体三极管特性，根据晶体三极管特性，VT1、VT2集电极电流为：集电极电流为：VT3的集电极电流可表示为：的集电极电流可表示为：可得：可得：同理可得：同理可得：式中，式中，为双曲正切函数。为双曲正切函数。差分输出电流差分输出电流io为为:ic1、ic2ic1ic2Io0-3321-1-2继续继续返回返回休息1休息2可以看出，当可以看出，当ux0）输出电压输出电压uo为为:由于

6、由于uy控制了差分电路的跨导控制了差分电路的跨导gm，使输使输出出uo中含有中含有uxuy相乘项，故称为变跨导乘法相乘项，故称为变跨导乘法器。器。变跨导乘法器输出电压变跨导乘法器输出电压uo中存在非相乘中存在非相乘项，而且要求项，而且要求uyube3，所以只能实现二象所以只能实现二象限相乘。限相乘。RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6Io基本电路结构基本电路结构VT1，VT2，VT3，VT4为双平衡的差分对，为双平衡的差分对，VT5，VT6差分对分别作为差分对分别作为VT1，VT2和和VT3，VT4双差分对的双差分对的射极恒流源射极恒流源。二、二、吉尔伯特（吉尔伯特（Gilbert

7、）乘法器乘法器1、Gilbert乘法单元电路乘法单元电路是一种四象限乘法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。是一种四象限乘法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。继续继续返回返回休息1休息2VT1VT2VT3VT4VT5VT6RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6Io工作原理分析工作原理分析根据差分电路的工作原理：根据差分电路的工作原理：又因，输出电压：又因，输出电压：二、二、吉尔伯特（吉尔伯特（Gilbert）乘法器乘法器+ux-+uy-+uo-iAiBi2i1i3i4i5i6当输入为小信号并满足：当输入为小信号并满足：而标度因子而标度因子Gilbert乘法器单元电路，只乘法器单元电

8、路，只有当输入信号较小时，具有较理有当输入信号较小时，具有较理想的相乘作用想的相乘作用,ux，uy均可取正、均可取正、负两极性，故为四象限乘法器电负两极性，故为四象限乘法器电路，但因其线性范围小，不能满路，但因其线性范围小，不能满足实际应用的需要。足实际应用的需要。继续继续返回返回仿真仿真休息1休息2VT5VT6RyIoyIoyRcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6RyVT5VT6Ry2、具有射极负反馈电阻的、具有射极负反馈电阻的Gilbert乘法器乘法器使使用用射射极极负负反反馈馈电电路路Ry，可扩展可扩展uy的线性范围，的线性范围，Ry取取值应远大于晶体管值应远大于晶体管T5,T

9、6的的发射极电阻，即有发射极电阻，即有静态时，静态时，i5=i6=IoY,当加入当加入信号信号uy时，流过时，流过Ry的电流为：的电流为：iAiB+ux-+uo-iY有有+uy-iY如果如果ux2UT=52mV时，时，返回返回仿真仿真继续继续休息1休息2i5i6+uy-RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6IoyIoyRyVD1VD2VT7VT8R1RxIoxIox3、线性化、线性化Gilbert乘法器电路乘法器电路具有射极负反馈电阻的双平衡具有射极负反馈电阻的双平衡Gilbert乘法器，尽管扩大了对输入乘法器，尽管扩大了对输入信号信号uy的线性动态范围，的线性动态范围，但对输入信号

10、但对输入信号ux的线性动态范围仍较小的线性动态范围仍较小，在，在此基础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的此基础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的原理电路，原理电路，其中其中VD1，VD2，VT7，VT8构成一个反双曲线正切函数电构成一个反双曲线正切函数电路。路。返回返回继续继续uxuxuyuoVD1VD2VT7VT8R1RxIoxIoxRcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6IoyIoyRyVD1VD2VT7VT8R1RxIoxIoxuxuyux工作原理分析：工作原理分析：i7ixi8iyiAiBVT7，VT8，Rx，Iox构构成成线线性性电电压

11、压电电流变换器。流变换器。有有uo而而为二极管为二极管D1与与D2上的电压差，上的电压差，即即:利用数学关系利用数学关系：，则上式可写成：则上式可写成：（1）代入（）代入（2）可得：）可得：其中标度因子：其中标度因子：可见大大扩展了电路对可见大大扩展了电路对ux和和uy的线性动态范围，改变电的线性动态范围，改变电阻阻Rx或或Iox可很方便地改变相乘器的增益。可很方便地改变相乘器的增益。返回返回继续继续仿真仿真+UD1-+UD2-iD1iD2休息2休息1VT5VT6RyRcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VDRyRy-EEVT7VT8VD4.4单片集成模拟乘法器及其典型应

12、用单片集成模拟乘法器及其典型应用一、一、MC1496/MC1596及其应用及其应用uxuy1、内部电路结构内部电路结构与具有射极负反馈的双平与具有射极负反馈的双平衡衡Gilbert相乘器单元电路比相乘器单元电路比较，电路基本相同，较，电路基本相同，仅恒流源仅恒流源用晶体管用晶体管VT7，VT8代替，二极代替，二极管管VD与与500电阻构成电阻构成VT7，VT8的偏置电路。的偏置电路。反偏电阻反偏电阻Ry外接在引脚外接在引脚、两端，可展宽两端，可展宽uy输入信号的输入信号的动态范围，并可调整标度因子动态范围，并可调整标度因子K。2、外接元件参数的计算、外接元件参数的计算iy+uy-负反馈电阻负反

13、馈电阻Ry且应满足且应满足|iy|0VZ返回返回 继续继续休息2休息13、实用除法运算电路实用除法运算电路电路中电路中C为频率补偿电容为频率补偿电容返回返回 继续继续三、开平方运算电路三、开平方运算电路I1I2+vo-+vi-电路结构电路结构乘乘法法器器构构成成的的开开平平方方电电路路接接在在运运放放的的负负反反馈馈支支路路上上，为为了了防防止止因因极极性性的的改改变变及及噪噪声声的的影影响响使使运运放放发发生生正正反反馈馈堵堵塞塞现现象象，电电路路中中接接入入了了防防止止堵堵塞塞的的二二极极管管（当当时时，D截截止，环路不工作止，环路不工作工作原理分析：工作原理分析：其中其中返回返回 继续继续正电压开方运算电路正电压开方运算电路开立方运算电路开立方运算电路由右图电路可推出由右图电路可推出：返回返回 继续继续