模拟集成电路系统

模拟集成电路系统第1页，课件共49页，创作于2023年2月第一节振幅调制的基本原理一、概述:1．调制目的：（1）使不能直接传送的音频信息借助高频幅射特性载送到接收端。（2）将不同信息附着在不同频率的载波上，以避免多种信息间干扰，实现多路通信。2．几个术语：（1）载波：运载信息的工具（高频等幅波），载波的频率称载频。（2）调制信号：控制载波的信息，也就是要传送的音频信息。（3）已调波：载波经调制信号调制后的波形。（4）调制：载波受调的过程。第2页，课件共49页，创作于2023年2月（5）解调：调制的逆过程，目的是从已调波中检出调制信号。3．连续调制分类：所谓连续调制是指载波某一参数受调制信号的连续控制。按受调参数分为：（1）调幅（AM）：受调参数是载波的幅度。（2）调频（FM）：受调参数是载波的频率。（3）调相（PM）：受调参数是载波的相位。第一节振幅调制的基本原理4．调制、解调的实质：频率变换(2)频谱非线性变换电路（FM调/解、PM调/解等）实现电路分两大类：(1)频谱搬移电路(AM调/解、混频等){第3页，课件共49页，创作于2023年2月则调幅波(已调波)的表示式为u(t)=[UC+kuΩ(t)]cos

ctu

(t)ttuC(t)u(t)t=Uc(1+macosΩt)cos

ct第一节振幅调制的基本原理二、调幅波波形和表示式若调制信号为uΩ=UΩcosΩt，载波信号为uC(t)=UCcos

ct，其波形如图：第4页，课件共49页，创作于2023年2月其中ma=kUΩ/Uc≤1，称调幅系数或调幅度，一般用%表示。

ma：表示载波受调制信号控制的程度。ma越大，控制作用越大。特殊地，当ma=1时称全调;当ma=0时，称无调，但ma不能>1，否则会出现过调失真。通常调制信号为非简谐信号且时刻变化，所以调幅度也在变，一般其均值ma=0.3=30%。第一节振幅调制的基本原理第5页，课件共49页，创作于2023年2月三、调幅波的频谱及谱宽（一）调制信号为简谐信号时u(t)=Uc(1+macosΩt)cos

ct第一节振幅调制的基本原理载波分量上边频分量下边频分量其频谱如图：频谱宽度：B=2Ω

或BHZ=2F(F=Ω/2

)B第6页，课件共49页，创作于2023年2月（二）调制信号为非简谐信号时，即Ωmin

Ωmax或Fmin

Fmax第一节振幅调制的基本原理频带宽度：B=2Ωmax或BHZ=2Fmax例：语音信号的频率：300~3400Hz其频谱如图：无线系统中，为避免电台间干扰，国际上对多波段与不同用途的电台所占有频带均有严格规定，如调幅广播电台容许占有频谱宽度为9KHZ。第7页，课件共49页，创作于2023年2月四、调幅波功率若AM波为单频正弦波，负载电阻为R，则在R上所消耗的功率为：（一）载波功率Po=Uc2/2R第一节振幅调制的基本原理（二）上、下边频功率（它为有效功率）（三）瞬时最大点功率：

Pmax=[Uc(1+ma)]2/2R=(1+ma)2Po（四）瞬时最小点功率

Pmin=[Uc(1-ma)]2/2R=(1-ma)2Po第8页，课件共49页，创作于2023年2月（五）调制信号一周内调幅波的平均总功率：第一节振幅调制的基本原理四、调幅波功率

讨论：当ma=1时，PAV=3Po/2即Po=2PAV/3，这说明不含任何有用信息的载波消耗了一周平均总功率的2/3，而实际有用功率只占PAV/3，这还是在理想情况下。所以功率利用率低是普通AM制的最大缺点。为了提高功率利用率，可采用抑制载波功率的边带传输，即双边带（DSB）和单边带（SSB）传输。AM制的优点：结构简单，技术上易于实现，因而比较经济。AM制的缺点：功率利用率低，还需有4倍的功率储备。第9页，课件共49页，创作于2023年2月当抑制载波之后（载波分量为0），其表示式变为：

第一节振幅调制的基本原理五、双边带及单边带调制（一）双边带的表示式、波形及频谱它可以由载波信号和调制信号相乘得到：u(t)=kUc(t)U

(t)=kUcU

cos

ctcos

t=kUcU

[cos(

c+

)t+cos(

c-

)t]/2u(t)=Um[cos(

c+Ω)t+cos(

c-Ω)t]第10页，课件共49页，创作于2023年2月其波形和频谱分别如图：相位突变180o是因为相乘的结果B=2

第一节振幅调制的基本原理B

显见，双边带信号的带宽为：第11页，课件共49页，创作于2023年2月因为边频中，任何一个边频已包含了调制信号的全部信息，所以为了节省频带，可进一步抑制掉其中一个边带，而只发送一个边频，这就是SSB。它的表示式为：第一节振幅调制的基本原理（二）单边带表示式、波形及频谱u(t)=Umcos(

c+Ω)或u(t)=Umcos(

c-Ω)t它可在DSB的基础上用滤波法或移相法得到第12页，课件共49页，创作于2023年2月其波形和频谱分别如图：或B=

第一节振幅调制的基本原理B显见，单边带信号的带宽为：第13页，课件共49页，创作于2023年2月（三）单边带调制的优缺点

优点：1．节省频带(节省1/2)，即波段利用率高。2．节省功率，因为AM波Po=2/3PAV,不经济，而SSB全部发送有用功率，所以在接收端获得相同信噪比时，SSB发送可节省功率。3．受传播条件影响小：电波传播时，对

c、

c

等不同频率成分的衰落和相移不同会引起信号失真或不稳，这称作选择性衰落现象。因SSB只有

c+

或

c-，所以这种衰落不严重。第一节振幅调制的基本原理4．抗干扰性能好，有一定保密性。缺点：发送技术和解调设备复杂，造价较高。第14页，课件共49页，创作于2023年2月前已述及，调制、解调的实质是频率变换，而模拟乘法器是实现频率变换的常用器件。它具有频带宽、性能好、外接电路简单等优点。下面介绍两种常用的乘法器。

一、压控吉尔伯特乘法器模拟乘法器的符号如图：其输出与输入关系为：uo=ku1u2k~乘积系数(V-1)第二节模拟乘法器第15页，课件共49页，创作于2023年2月由图，各管电流方程为：第二节模拟乘法器压控吉尔伯特乘法器的原理电路如图：第16页，课件共49页，创作于2023年2月所以输出电压：Uo=(iC1-iC2)Rc=(i1+i3-i2-i4)Rc

IORcu1u2/4UT2=ku1u2其中k=IORc/4UT2显见，完成两模拟信号相乘功能。第二节模拟乘法器第17页，课件共49页，创作于2023年2月

MC1596也称为双平衡模拟乘法器，其基本电路见P92图5-9，方框图外是外接电路，其中Rb用来调节恒流源I1、I2；Ry~调整增益和输入信号的动态范围可推得它的输出与输入关系为：第二节模拟乘法器基于压控吉尔伯特电路原理制成的有MC1596、XCC等。第18页，课件共49页，创作于2023年2月上述MC1596作为通用型乘法器还存在以下问题：1.输入动态范围小；2.线性较差。MC1595较好的解决了以上问题，与其对应的国内型号为BG314、FZ4等。其原理电路如图P93图5-10所示如果此电路用框图表示流控Gilbert乘法器第二节模拟乘法器二、流控吉尔伯特模拟乘法器第19页，课件共49页，创作于2023年2月吉尔伯特乘法单元由D1、D2、T5~T8构成差模U/I变换器分别由T1、T2和T3、T4构成，依赖Rx、Ry的深负反馈用以展宽动态平衡范围，实现线性补偿。工作原理：1.Ux=0、Uy>0时，

I3、I4

I5、I7

iA=常数同理I6、I8

iB=常数

Uo=0第二节模拟乘法器第20页，课件共49页，创作于2023年2月Uy

T3、T4

T5~T8的ie

gm5~8Ux

T1、T2

UD

T5~T8的Ub

UO

iO

gmUb

即UO

UxUy具体推导见书

理论推导出：第二节模拟乘法器其中:2.同理Ux=0、Uy>0时，

Uo=03.当Ux>0、Uy>0时，Uo

0第21页，课件共49页，创作于2023年2月结论：1.输出电压只包含Ux、Uy的乘积，无多余成分；2.乘积系数k

RL，k

1/RxRyIOX所以RL变化、RxRy变化

k变化；3.Ux、Uy均可正负，故为四象限模拟乘法器，具有很大的动态范围；4.通过平衡差分对T5~T8的补偿作用(依赖于D1、D2:温度补偿)，使k与管子的UT无关，不受T影响；

第二节模拟乘法器第22页，课件共49页，创作于2023年2月调幅过程就是把信号频谱从低频移到载波两侧的频谱搬移过程。第三节低电平调幅电路调幅电路按实现调幅级电平的高低分为：低电平调幅（可用来产生普通AM，也可可用来产生DSB、SSB）。高电平调幅（适用于通信、广播设备的普通调幅发射机）；{第23页，课件共49页，创作于2023年2月它可以看成是一直流电压加低频调制信号，再与高频载波信号相乘，所以实现普通AM的原理电路如图:P96图5-12(b)是利用MC1596构成的调幅器电路。当Rw调至不对称时(E

0)，按模拟乘法器的功能第三节低电平调幅电路普通调幅波的表达式可写成

u(t)=(Um+UmmacosΩt)cos

ct一、普通AM电路E+u

(t)第24页，课件共49页，创作于2023年2月UCm~已调波载波幅度，ma=UΩ/E~调幅度可见,调整Rw

调整E

调整ma第三节低电平调幅电路当Rw调至不对称时(E

0)，按模拟乘法器的功能第25页，课件共49页，创作于2023年2月

DSB波的表达式可写成

UDSB(t)=kUc(t)UΩ(t)=kUcmcos

0tUΩmcosΩt=kUcmUΩm[cos(

c+Ω)t+cos(

c-Ω)t]/2如果用MC1596实现DSB调制，只需将前述电路中的Rw调至对称（E=0）即可。第三节低电平调幅电路二、DSB调制电路第26页，课件共49页，创作于2023年2月三、SSB调制电路前已述及，实现单边带调制有两种方法：滤波法；移相法

1．滤波法：在DSB调制基础上加一带通滤波器，滤去其中一个边带。原理电路:对带通滤波器的要求严格第三节低电平调幅电路第27页，课件共49页，创作于2023年2月2．移相法:对移相器要求严格第三节低电平调幅电路90o移相网络90o移相网络±第28页，课件共49页，创作于2023年2月通常把调幅波解调器称为检波器

调幅波解调：从调幅波中提取出原调制信号。前已述及，调幅波有三种形式，即普通AM、DSB和SSB，形式不同，检波方法亦不同，如峰值包络检波、平均包络检波方法，可用于解调普通AM，而乘积检波（亦称同步检波），以上三种方式均可用，但主要用于DSB或SSB的解调。第四节振幅检波第29页，课件共49页，创作于2023年2月UL为输出直流

注意：kd≠η=Po/Pc2．检波失真要小（检波输出的uΩ接近包络）3．检波器输入电阻要高，这样对前级影响小中放AM波检波器频率变换器低通滤波器第四节振幅检波对检波器的要求（质量指标）：1．检波效率kd要高检波器的构成：第30页，课件共49页，创作于2023年2月一、峰值包络检波（属大信号检波，一般要求Ui>0.5V）（一）电路：充放

（二）工作原理：

ui(t)=Uc(1+macosΩt)cos

ctUi+给C充电，

充=rdC很小，uL很快接近ui的峰值，并对D形成反压(-UL)第四节振幅检波第31页，课件共49页，创作于2023年2月当uL>ui时，D截止，电容上的电压RL放电，

放=RLC，波形如图：显然只有ui>uL时，才有电流iD，它的幅度与包络幅度相对应由图可见，uL为锯齿波型，它与ui的包络形状基本一致，重现调制信号包络形状，从而完成峰包检波第四节振幅检波iDtuiuLt第32页，课件共49页，创作于2023年2月

应该指出：uL中既包括低频分量(与ui包络相对应),又包括直流分量(与ui的载波振幅相对应),还包括残余的高频分量(由于uL的锯齿状波动)适当选择RLC的时间常数，使RLC>>T2(=2

/

2)，放电很缓慢，可提高输出直流分量，低频分量，抑制高频分量。第四节振幅检波第33页，课件共49页，创作于2023年2月（三）定量分析：用折线法分析：第四节振幅检波则二极管特性的解析式为：0UD

UriD=g(UD-Ur)UD>Ur考虑到平均直流电压的反作用：

UD=Ui-UL=UIcos

ct-UL所以当UD>Ur时，iD=g(UIcos

ct-UL-Ur)当

ct=

时，iD=0所以cos

=(UL+Ur)/UI=UL/UI设D的特性可用理想折线表示第34页，课件共49页，创作于2023年2月当

一定时，UL

UI，当输入为AM波，UL

Uc(1+macosΩt)，即输入与输出的峰值成正比。已知IDM=gUI(1-cos

)则二极管电流中的平均分量为：将此代入

式得到：第四节振幅检波即UL

UIcos

第35页，课件共49页，创作于2023年2月将此代入上式解的：当

很小时（x<<1,tgx

x+x3/3）,有tg

+

3/3显然：1、rd

UL

2、RL

UL

第四节振幅检波第36页，课件共49页，创作于2023年2月（四）技术指标1．检波效率：kd=UL/UI≈cos

UL

kd

当电路一定，RL=常数，大信号状态时g≈常数，所以cosφ≈常数=kd故大信号峰包检波的输出与输入之间近似成线性关系。2．检波失真（1）对角切割失真（亦称惰性失真）：它主要是由于RLC太大引起的。第四节振幅检波第37页，课件共49页，创作于2023年2月前已述及，适当提高RLC有利于滤除高频成分，但如太大，将因放电时间过长面跟不上包络的变化，而产生惰性失真。(如图所示)第四节振幅检波解决方法：选择合适的RLC，使放电速率≥输入高频电压振幅变化速率，即：推导得出不产生对角切割失真条件为：第38页，课件共49页，创作于2023年2月证明：UI=UC(1+macos

t)放电电流：两者相等,设kd=1，则uL(t)=uC(t)第四节振幅检波要不失真，必须A<1，只要保证A的最大值<1即可可求得AM：

不失真的条件：证毕第39页，课件共49页，创作于2023年2月（2）底部切割失真（负峰切割失真）：主要是由于检波器交直流负载电阻不同而引起的。检波器输出常用隔直电容Cc与后一级耦合，电路如图：第四节振幅检波因为Cc很大，这将会在电容Cc上形成一个基本固定的电压UCc，经RL、Ri2分压后，在RL上的分压为：(k

1)它对D来说是反偏，这样当ma较大时，负峰有可能低于URL，使D截止，形成负峰切割失真，如图：URL第40页，课件共49页，创作于2023年2月所以要防止这种失真，需对ma有一个限制，需第四节振幅检波此即防止负峰切割失真的条件。交流负载直流负载第41页，课件共49页，创作于2023年2月（3）检波器频率失真除上述非线性失真外，还需考虑C对调制信号上限频率Ωmax和Cc对下限频率Ωmin的影响。所以必须保证1/ΩmaxC>>RL；1/ΩminCc<<Ri2，以避免检波器频率失真。第四节振幅检波第42页，课件共49页，创作于2023年2月第四节振幅检波若输入载波UC=Ucmcos

ct，则输入功率Pi=Uc2/2Ri，输出功率Po=UL/RL。若忽略二极管损耗(因为导通时间极短，基本不耗功率)，则有Pi≈Po

即Uc2/2Ri≈UL/RL=（kdUc）2/RL特殊地若k≈1则Ri≈RL/2。显然RL越大Ri越大，对前级的负载作用越小。∴Ri=RL/2kd2（三）输入电阻第43页，课件共49页，创作于2023年2月二、乘积检波上述峰包检波器只能解调普通AM波，而不能解调DSB、SSB波，因为它们的包络不反映调制信号的变化规律。要解调后二种，需采用乘积检波。（一）乘积检波原理1.电路框图：第四节振幅检波第44页，课件共49页，创作于2023年2月则U2=kUi