高頻電路class (16)

1、高頻電子線路,王軍wangjun@stu.edu.cn,汕頭大學電子工程系,6.2 調(diào)幅信號的解調(diào),從已調(diào)高頻信號中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程叫做解調(diào)，也稱做檢波。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。,6.2.1 調(diào)幅解調(diào)的方法 振幅解調(diào)方法可分為包絡(luò)檢波和同步檢波兩大類。,包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法。根據(jù)電路工作方式不同，又分為峰值檢波和平均值檢波。由于AM信號的包絡(luò)與調(diào)制信號成線性關(guān)系,因此包絡(luò)檢波只適

2、用于AM波。其包絡(luò)檢波原理框圖如圖6―30所示。,如果我們想把其他調(diào)制方式的已調(diào)波用包絡(luò)檢波方式解調(diào)，就要像將已調(diào)波轉(zhuǎn)換為AM波,圖6―30 包絡(luò)檢波的原理框圖,兩種解釋:一是非線性器件將雙向變化轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蜃兓?而單向的幅度變化(包絡(luò)變化,即為低頻調(diào)制信號)為低頻信號,通過一個低通濾波器可以得到；二是非線性電路的冪次項的作用.,同步檢波是外加一個與原來載波同頻同相的高頻信號，稱為插入載波或副載波，然后利用頻譜搬移電路，對DSB和SSB

3、信號進行解調(diào)，故稱為同步檢波。其同步檢波原理框圖如圖6―31 所示。,而DSB和SSB信號的包絡(luò)不正比于調(diào)制信號，因此不能用包絡(luò)檢波，必須采用同步檢波。,同步檢波又可以分為乘積型(圖6―32(a))和疊加型(圖6―32(b))兩類。它們都需要用恢復(fù)的載波信號ur進行解調(diào)。,圖6―32 同步檢波器 的兩種類型(a)乘積型; (b)疊加型,6.2.2 二極管峰值包絡(luò)檢波器1．二極管串聯(lián)檢波器電路及工作原理 圖6―33(a

4、)是二極管串聯(lián)峰值包絡(luò)檢波器的原理電路。它是由輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器組成?？梢钥闯?，信號源、二極管和RC濾波網(wǎng)絡(luò)為串聯(lián)關(guān)系。,圖6―33二極管峰值包絡(luò)檢波器(a)原理電路 (b)二極管導(dǎo)通 (c)二極管截止,充電時間常數(shù)為rdC,放電時間常數(shù)為RC,,為了濾掉高頻分量，保留低頻分量，RC的值應(yīng)該滿足：,式中,ωc為輸入信號的載頻,在超外差接收機中則為中頻ωI，Ω為調(diào)制頻率，1/RC是低通網(wǎng)絡(luò)的上截止頻率。在理想情況下

5、,RC網(wǎng)絡(luò)的阻抗Z應(yīng)為：,▲當輸入等幅波時 當在輸入信號的正半周，二極管導(dǎo)通，快速給電容充電，當輸入下降后使二極管截止時，電容放電，但放電要比充電慢得多，因此，達到平衡后，二極管只在輸入信號的峰值附近才導(dǎo)通，通角很小。圖6-34是輸入為等幅波時的工作過程。,(6-42),圖6―34 加入等幅波時檢波器的工作過程,,=,從這個過程可以得出下列幾點:●檢波過程就是信號源通過二極管給電容充電與電容對電阻R放電的交替重復(fù)過程。(是一個

6、非線性濾波器)●由于RC時常數(shù)遠大于輸入電壓載波周期,放電慢,使得二極管負極永遠處于正的較高的電位(因為輸出電壓接近于高頻正弦波的峰值,即Uo≈Um)。  ●二極管電流iD包含平均分量(此種情況為直流分量)Iav及高頻分量。 ●輸出電壓的平均電壓接近輸入振幅，并具有高頻紋波電壓?！褫斎腚妷赫穹欢ㄒ笥诙O管的勢壘電壓，因此這是一個大信號檢波器。圖6-35是大信號檢波器達到平衡時的電流電壓波形。,圖6―35 大信號檢

7、波器穩(wěn)態(tài)時的電流電壓波形,由KVL可知,uD=ui-uC,▲當輸入AM信號時 因為平衡后，二極管總是在輸入信號每個周期的峰值附近導(dǎo)通，因此輸出電壓與輸入信號包絡(luò)相同。二極管電流的平均分量Iav流過R形成檢波輸出，而高頻分量被C濾掉了。設(shè)輸入信號為：,則檢波輸出為：,圖6-36是輸入為AM信號時的檢波器輸出波形。圖6-37是輸入為AM信號時的檢波二極管的電壓及電流波形。,(6-43),圖6―36 輸入為AM信號時檢波器的輸出波

8、形圖,圖6―37 輸入為AM信號時,檢波器二極管的電壓及電流波形,,從上面的分析可以看出，電容兩端的電壓具有近似為輸入載波振幅大小的直流分量，因此必須加隔直電容，然后輸出原來的調(diào)制信號，如圖6-38所示；另外，這個直流電壓可以被取出用于自動控制放大器的增益。,圖6―38 包絡(luò)檢波器的輸出電路 (a)輸出低頻調(diào)制信號；(b)輸出直流,,,從檢波過程還可以看出，RC的數(shù)值對檢波器輸出的性能有很大影響。如果R值小(或C小)，則放電快，

9、高頻波紋加大，平均電壓下降; RC數(shù)值大則作用相反。當檢波器電路一定時，它跟隨輸入電壓的能力取決于輸入電壓幅度變化的速度。當幅度變化快，例如調(diào)制頻率高或調(diào)制幅度m大時，電容器必須較快地放電，以使電容器電壓能跟上峰值包絡(luò)而下降，此時, 如果RC太大，就會造成失真。,(1)傳輸系數(shù)Kd 檢波器傳輸系數(shù)Kd或稱為檢波系數(shù)、檢波效率, 是用來描述檢波器對輸入已調(diào)信號的解調(diào)能力或效率的一個物理量。 若輸入載波電壓

10、振幅為Um, 輸出直流電壓為Uo, 則Kd定義為:,（6- 44）,2．性能分析,由于檢波器工作在大信號狀態(tài),二極管的伏安特性用折線近似如圖（6-35）。當輸入為等幅波時,,,二極管電流峰值：,電流平均分量：,電流基頻分量：,(6-46),(6-47),(6-48),由檢波效率的定義式和圖6-35：,解出電流通角：,(6-49),(6-50),(6-51),等式兩邊各除以cosθ,可得：,由此可見,檢波系數(shù)Kd是檢波器電流iD的通角

11、θ的函數(shù),求出θ后,就可得Kd。因為：,,,由以上分析可以看出：當電路一定時，導(dǎo)通角θ是一定的。原因是負載電阻R的反作用，使電路能自動調(diào)節(jié)，使θ不隨輸入信號而改變?！駲z波效率也與信號大小無關(guān)。所以檢波器的輸入輸出是線性關(guān)系——線性檢波，當輸入AM信號時，輸出電壓為：,●二極管導(dǎo)通電阻越小，R越大，θ就越小，檢波效率就越高。這意味著二極管本身能量損耗越小?！駷V波器時間常數(shù)RC越大，紋波就越小，檢波效率也就越高。(但RC過大會帶來什

12、么問題呢?)圖6-39和圖6-40說明了二極管導(dǎo)通電阻和濾波電路對檢波效率的影響。,(6-52),,,圖6―39 Kd～gDR關(guān)系曲線圖,圖6―40 濾波電路對Kd的影響,增加R可以提高Kd, 但是增加過大的R會造成輸出變化跟不上輸入包絡(luò)變化造成失真, 因而可適當增加gD,,增加C也可以提高Kd,(2)輸入電阻Ri 檢波器的輸入阻抗包括輸入電阻Ri及輸入電容Ci, 如圖6―41所示。輸入電阻影響前級中頻放

13、大器的品質(zhì)因數(shù)和放大器的增益，輸入電容影響諧振頻率。,圖6―41 檢波器的輸入阻抗,前級放大器諧振電路,輸入電容包括二極管結(jié)電容Cj和引線對地分布Cf電容，Ci=Cj+Cf。輸入電阻為輸入載波電壓的振幅Um與檢波器電流的基頻分量振幅I1之比值,即：,將式(6―48)代入,有:,(6-53),(6-54),（為什么是一次諧波？）,★也可以從功率的角度來分析。 因為rD很小，θ很小，所以可以認為二極管基本不消耗能量，輸入功率就等于

14、電阻R上消耗的功率。即檢波效率近似為1，因此有：,顯然，R越大，輸入阻抗越大，對前級的影響也越小。因此經(jīng)常采用射極跟隨器實現(xiàn)峰值包絡(luò)檢波。如下圖所示。,圖 由射極跟隨器構(gòu)成的包絡(luò)檢波器,3．檢波器的失真（1）惰性失真 在二極管截止期間,電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時常數(shù)。如果電容放電速度很慢，使的輸出電壓不能跟隨輸入信號包絡(luò)下降的速度，那么檢波輸出將與輸入信號包絡(luò)不一樣，產(chǎn)生失真。把由于RC時間常數(shù)過大而引起的

15、這種失真稱做惰性失真或叫對角線切割失真。 如圖6-42所示。,圖6―42 惰性失真的波形,不能跟隨包絡(luò)變化,為了避免產(chǎn)生惰性失真,必須在任何一個高頻周期內(nèi),使電容C通過R放電的速度大于或等于包絡(luò)的下降速度,即：,設(shè)輸入為單音調(diào)制AM波,則在t1時刻其包絡(luò)的變化速度為：,二極管停止導(dǎo)通的瞬間,電容兩端電壓uC近似為輸入電壓包絡(luò)值,即uC=Um(1+mcosΩt)。在t1時刻通過R放電的速度為：,(6-55),(6-66),(6-67)

16、,將式(6―56)和式(6―57)代入式(6―55),可得：,實際上, 不同的t1, U(t)和uC的下降速度不同,為避免產(chǎn)生惰性失真,必須保證A值最大時, 仍有Amax≤1。故令dA／dt1=0,得：,(6-58),(6-59),代入式(6―58),得出不失真條件如下:,由此可見，m 、Ω越大，包絡(luò)下降速度就越快，保證不產(chǎn)生惰性失真時對RC的要求就越小。但實際中調(diào)幅波并不是單音調(diào)制，因此必須應(yīng)用最大的調(diào)深度和最高調(diào)制信號頻率來檢驗有無

17、惰性失真。因此檢驗公式為：,(6-60),(6-61),(2) 底部切削失真 底部切削失真又稱為負峰切削失真。產(chǎn)生這種失真后,輸出電壓的波形如圖6―43(c)所示。這種失真是因檢波器的交直流負載不同引起的。,圖6―43 底部切削失真,因為Cg較大,在音頻一周內(nèi),其兩端的直流電壓基本不變,其大小約為載波振幅值UC,可以把它看作一直流電源。它在電阻R和Rg上產(chǎn)生分壓。在電阻R上的壓降為 :,這個電壓正好是二極管的反向電壓，當它大

18、于調(diào)幅波的最小幅度為UC(1-m)時。二極管就會截止，產(chǎn)生切割失真。因此，由圖6―43(b)可以看出,要避免底部切削失真,應(yīng)滿足:,(6-62),(6-63),(6-64),原先的UC會隨著二極管截止放電，但現(xiàn)在由于Cg的作用，使得在二極管截止時基本上保持不變,從式(6-64)可以看出，要避免底邊切割失真，一定要設(shè)法增大交流阻抗和直流阻抗的比值。在圖6-43中，直流阻抗為R，而交流阻抗為R//Rg.解決交、直流阻抗差別可以采取如下措施。

19、如圖6-44。,圖6―44 減小底部切削失真的電路,(a)中是把R分成兩個電阻的串聯(lián)來提高交流阻抗，(b)是利用射極跟隨器來使交、直流阻抗近似相等。,（3）非線性失真 這種失真是由于檢波二極管的伏安特性曲線的非線性引起的。它會使的檢波器輸出的音頻電壓不能完全和輸入調(diào)幅波的包絡(luò)成正比。但如果負載電阻R選的比較大，導(dǎo)通角比較小，那么這種非線性失真很小，可以忽略。（4）頻率失真 由于檢波電容C和耦合電容Cg選擇不合

20、理，會造成音頻輸出中含有其他諧波分量，造成頻率失真。不產(chǎn)生頻率失真的條件為：,(6-65),(6-66),4．設(shè)計中應(yīng)該考慮的問題 在設(shè)計包絡(luò)檢波器時，應(yīng)主要考慮要有較高的檢波效率和盡可能避免各種失真并減少對前級中頻放大器的影響。以圖6-48為例來說明這個問題。可以從以下幾個方面來考慮。,檢波器,自動增益控制AGC,音量調(diào)節(jié),圖6―48 檢波器的實際電路,（1）二極管的選擇 要選擇導(dǎo)通電阻和結(jié)電容比較小的二極管，可以提

21、高效率。如選擇點接觸型二極管2AP9（約100 Ω、1pF）等。（2）電阻R1、R2選擇 為了不損失效率，R1/R2一般選擇在0.1~0.2，而R1+R2幾千Ω，它不能太大，否則容易產(chǎn)生底邊切割失真或惰性失真。此處選R1=680 Ω，R2=4.7k Ω.（3）電容的選擇 C太大容易產(chǎn)生惰性失真，太小又會使紋波加大，效率降低。因此應(yīng)使2πFmax <1/RC<2πfc.此處選C1=C2=5100pF。

22、Cg一般選的很大，此處為10微法。,5. 二極管并聯(lián)檢波器 除上面討論的串聯(lián)檢波器外,峰值包絡(luò)檢波器還有并聯(lián)檢波器、推挽檢波器、倍壓檢波器、視頻檢波器等。這里討論并聯(lián)檢波器。如圖6-46。,(,c,),(,b,),圖6―46 并聯(lián)檢波器及波形(a)原理電路 (b)波形 (c)實際電路,(a),(c),(b),根據(jù)能量守恒原理,實際加到并聯(lián)型檢波器中的高頻功率,一部分消耗在R上,一部分轉(zhuǎn)換為輸出平均功率, 即,當Uav≈U

23、C時(UC為載波振幅)有：,因此和串聯(lián)檢波器相比： ● C兼檢波與隔直作用。二極管電壓就是輸出電壓 ●輸出電壓具有高頻分量，后面需要加低通濾波器。 ●具有很大的高頻損耗 ●輸入電阻小。,(6-68),(6-67),6．小信號檢波器 小信號檢波是指輸入信號振幅在幾毫伏至幾十毫伏范圍內(nèi)的檢波。這時, 二極管的伏安特性可用二次冪級數(shù)近似,忽略高次項后，即表示為：,一般小信號檢波時Kd很小,故忽略平均電

24、壓負反饋效應(yīng),認為：,將它代入上式,可求得iD的平均分量和高頻基波分量振幅為：,(6-71),(6-70),(6-69),若用ΔIav=Iav-a0表示在輸入電壓作用下產(chǎn)生的平均電流增量,則:,相應(yīng)的Kd和Ri為:,若輸入信號為單音調(diào)制的AM波, 因Ω<<ωc,可用包絡(luò)函數(shù)U(t)代替以上各式中的Um，則有：,(6-72),(6-74),(6-73),,輸入高頻已調(diào)波包絡(luò)變化,這里僅僅輸入單頻信號,,輸出包絡(luò)變化,從上面分

25、析可以看出，在小信號檢波時：●檢波輸出電壓與輸入信號振幅的平方成正比，因此又稱為平方律檢波器。因此可以用做功率指示?！裥⌒盘枡z波時檢波效率、輸入電阻都很小。●具有嚴重的非線性失真，比如2 Ω 、4 Ω 、6 Ω等Ω的耦次諧波。圖6―47 小信號檢波檢波器的原理和波形圖。,(6-75),圖6―47 小信號檢波,,6.2.3 同步檢波器 1．乘積型同步檢波器 ,乘積型同步檢波器框圖,思想: 調(diào)制時是通過乘積運算將低頻信號頻

26、譜搬移到 高頻段的,同樣,我們也可以通過乘積運算重新 將高頻已調(diào)信號頻譜搬移低頻信號,經(jīng)低通濾波器的輸出,且考慮ωr-ωc=Δωc在低通濾波器頻帶內(nèi),有：,可以看出，經(jīng)過乘法器，又把信號頻譜線性地從ωc兩側(cè)搬移到了到ωr-ωc和ωr-ωc兩側(cè)，如圖：,圖 乘積型同步檢波器的頻譜(a)DSB信號頻譜；(b)相乘后信號頻譜,(6-77),由上式可以看出：①當恢復(fù)載波與發(fā)射載波同頻同相時,即ωr=ωc,

27、φ=0,則: uo=UocosΩt 輸出將無失真地將調(diào)制信號恢復(fù)出來。②若恢復(fù)載波與發(fā)射載頻有一定的頻差,即ωr=ωc+Δωc uo=UocosΔωctcosΩt 引起振幅失真和頻率失真。③若只有一定的相差,但頻率相同，則： uo=UocosφcosΩt

28、引如一個振幅衰減因子，使振幅減小,（2）SSB信號的解調(diào),①當Δωc=0,φ=0,則: uo=UocosΩt ，輸出將無失真恢復(fù)調(diào)制信號。②當Δωc≠0,φ=0則：uo=Uocos（Ω-Δωc)t 引起頻率失真。③當Δωc=0,φ≠0, 則：uo=Uocos(Ωt-φ) 只改變相位，對單頻信號來說沒失真,對多頻信號有線性相位失真.,經(jīng)低通濾波器的輸出,且考慮ωr-ωc=Δωc在低通濾波器頻帶內(nèi),有：,(6-78),(6-79)

29、,造成線性失真中的相位失真.,,補充說明一點:,這在同步檢波上做不到，不失真就一定要載波信號與本振信號同頻同相位。但在濾波器、控制系統(tǒng)、放大電路設(shè)計的時候一定要注意怎么樣去減少相位失真。,圖6―48 幾種乘積型解調(diào)器實際線路,2. 疊加型 疊加型同步檢波是將DSB或SSB信號插入恢復(fù)載波,使之成為或近似為AM信號,再利用包絡(luò)檢波器將調(diào)制信號恢復(fù)出來。如圖所示。,圖6-49 疊加型同步檢波器原理圖,(b),（1

30、）疊加型DSB信號檢波 對DSB信號而言,只要加入的恢復(fù)載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關(guān)系,就可得到一個不失真的AM波。設(shè)：,顯然通過把輸入信號個插入載波相加，就可得到AM信號，通過包絡(luò)檢波器就可以恢復(fù)出調(diào)制信號。,(6-82),(2) 疊加型SSB信號檢波 設(shè)單頻調(diào)制的單邊帶信號(上邊帶)為：,則：,式(6-84)中,(6-83),(6-84),(6-85),(6-86),(6-87),,泰勒級數(shù)展開，取一階近似可

31、得,既幅度調(diào)制，又角度調(diào)制的一個信號,,但幅度信號包含于“調(diào)制信號”成比例的信息,可見把SSB信號和插入載波相加后，得到近似的AM波形，經(jīng)過包絡(luò)檢波可恢復(fù)出調(diào)制信號。 采用圖6―50所示的同步檢波電路,可以減小解調(diào)器輸出電壓的非線性失真。它由兩個檢波器構(gòu)成平衡電路。,圖6―50 平衡同步檢波電路,下檢波器的輸出為：,則總的輸出：,上檢波器的輸出為：,(6-88),(6-89),(6-90),3.恢復(fù)載波的方法（1）對于AM信