集成模拟乘法器在高频电路中的应用Word格式.docx
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=KUxUy
（11-2）
（11-3）
称为乘法增益系数，式11-3表明输出电压与两个输入电压的乘积成正比。
图11-1所示的乘法器要求Uy必须为正值，以保证T3管在Uy的偏置下能工作在线性
放大区。
为使Uy不论是正值还是负值，都能得到乘法运算的结果，常用双平衡式变跨导乘法器。
如图11-2所示，T5和T6由恒流管T8和T9提供偏置电流，因此不论Uy是正值还
是负值，输出均可得到Uy和Ux的乘积。
2.集成模拟乘法器
集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘作用的器件，电路符号如图11-3所示。
它
有两个输入端Ux和Uy,输出端为Uo,它们之间的关系是
Uo二KUxUy
其中，K称为乘法增益系数。
模拟乘法器的种类很多，如AD634、AD534L、MC1496等，且不需外接元件，无须
调零即可使用。
KXY
图11-3模拟乘法器电路符号
11.1.2模拟乘法器的应用
1.平方电路
若Uy=Ux,则u。
=-KuX，此时，模拟乘法器称为平方电路。
2.除法电路
变跨导乘法器还可组成除法电路，如图
U3
11-4所示。
根据“虚短”和“虚断”可得
即也一也
RR2
R2
U1
R1
由乘法器的功能可得
U3=Ku°
U2
因此得
Ku!
KR1U2
（11-4）
即输出电压与两个输入电压的商成比例关系。
在图11-4所示除法器电路中，只有当U2为正极性时，才能保证运放处于负反馈状态，而山则可正可负。
11.2信息传输过程
11.2.1信息的传输过程
一个完整的信息传输系统应包括信号源、发送器、传输信道、接收器和终端五部分，信息传输过程如图11-5所示。
信号源|——彳发送器|——彳传输倍逍|—|接收黯|——彳终端
图11-5信息传输过程
信息传输系统所传送的信息可以是语言、文字和图像，在信息传递以前，首先要把传送信息变为电信号，这个电信号就是信号源。
由信号源传来的信号再由发送器进行处理。
发送器主要有两大任务：
一是调制，二是放大。
其目的是将要传送的信号通过天线高效率、远距离地辐射出去，使之在传输信道中传播。
发送器的输出信号为高频已调信号。
传输信道是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒介。
传输信道根据其使用介质可分为两大类：
一类是有线信道（利用导线来传输电信号），另一类是无线信道（利用自由空
间，以电磁波的形式传输电信号）。
接收器的任务是对信道传送过来的已调信号进行处理，以恢复与发送端一致的原始信号，这个过程就是解调。
同时，在信道中还会存在许多干扰信号，因而接收器还必须具有选择有用信号和滤除干扰信号的功能。
终端器是将接收设备输出的原始电信号变换成原来形式的信息状态。
11.2.2信息传输处理
信息传输处理主要包括调制与解调两个过程。
调制就是一个信号（如光、电磁波等）的某些参数（如振幅、相位、频率等）按照另一个拟传输的信号（如声音、图像等）的特点变化的过程。
即把要传送的信号“附加”到高频振荡信号上去，然后由天线发射出去。
高频振荡就是携带信息的“运载工具”，所以称之为载波，而所要传送的信号称为调制信号。
按照被调制的高频振荡信号的参数不同，调制的方式也不同。
主要有三种形式，第一种是振幅调制，简称调幅，用AM表示；
第二种是频
率调制，简称调频，用FM表示；
第三种是相位调制，用PM表示。
调制后的载波载有调
制信号所包含的信息，称为已调信号，或称为已调波。
解调是调制的反过程，亦即把低频调制信号从高频已调信号中还原出来的过程。
调幅波的解调过程称为检波；
调频波的解调过程称为检频；
调相波的解调过程称为检相。
调制方式的选择是根据传输要求和各种调制的特点全面综合考虑的。
例如：
调幅制由于其所需接收设备简单，因而适用于各种中、短波及超短波段的无线电广播，但其抗干扰能力差；
调频制抗干扰能力强，但由于占用频带宽，因而适用于超短波波段，如电视伴音、移动通信等。
11.3调幅与检波
11.3.1调幅
1.调幅信号的表示方式
调幅就是用调制信号控制高频载波的振幅，使高频载波的振幅按调制信号的变化规律
而变化，设调制信号为正弦波，如图11-6（a）所示。
其电压表达式为
uQ（t）=U饷cos。
t（11-5）
载波为一高频等幅波，如图11-6（b）所示，表达式为
Uc（t）=UQmcosct（11-6）
通常满足'
卞门，若用调制信号对载波进行调制，根据振幅调制的定义，在理想情
况下，已调信号的振幅应随调制信号线性变化，已调信号瞬时幅值为
Um（t）=U的+如（t）=Ucm的COS0t（1+叫COS0t）（11-7）
cm
Ucm
加
（11-8）
式中，ma称为调幅系数，表示载波振幅受调制信号控制的程度；
Ka为由调制电路决
定的比例常数。
由此可得调幅信号的表达式为
UAM（t）二Um（t）COSitUcmdgCOS'
Jt）COS沽（11-9）
其波形如图11-6（c）所示。
（b）O
（a）调制信号；
（b）高频载波；
（c）已调波
正常情况下，ma<
1。
图11-6（c）所示调幅波的调幅系数ma<
1，此时振幅变化的最大
值为（1+ma）Ucm,振幅变化的最小值为（1-ma）Ucm。
当ma=1时，调幅波最大值为2Ucm，最
小值为零。
若ma>
1，就要引起调幅失真。
从图11-6（c）可以看出：
①调幅波的包络信号振幅各峰值点的连线完全反映了调制信号的变化；
②调幅波的上下包络相位相差180°
;
③调幅波的频率就是载波的频率。
实际要传送的信号往往是一个复杂的波形，如图11-7（a）所示，由于调幅波的包络变
化规律与低频信号波形一致，因而可做出它的调幅波波形，如图11-7（b）所示。
2.调幅波的频谱
将式11-9展开，得
Uam（t）=Ucm（1maCOS，」t）cosct
11
二UcmCOSctmaUcmCOS（'
c门）tm,UcmCOS（'
c-"
）t（11-10）
22
从式11-10可以看出，调幅波有三个频率分量，它是由三个高频正弦波叠加而成的。
第一项的频率分量是载波的频率分量，它与调制信号无关；
第二项的频率称为上边频，等于载波频率与调制信号频率之和；
第三项的频率称为下边频，等于载波频率与调制信号频率之差。
调制信号的信息包含在上、下边频分量之内。
如果把这些频率分量画在频率轴上，就构成单频余弦调制的调幅波的频谱，如图11-8所示。
这两个边频分量轨+门及
g门以载波％为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比，与载
频的相对位置决定于调制信号的频率，这说明上、下边频中包含着调制信号的幅度及频率。
（b）已调波
|L“I住
ta）
图11-8单频调制频谱
（a）调制信号频谱;
已调波的带宽为
BW=（I小）-C^-^'
）=2.'
（b）载波频谱；
（c）已调波频谱
（11-11）
复杂信号的调制频谱如图11-9所示。
由图11-9可以看出，调制后产生的上边频和下边频不再是一个，而是许多个频率分量，但频率分量的上、下边频幅度仍然相等且成对出现，上、下边频带的频谱分布相对载频是对称的。
所占的频带宽度为
BW=（臥+0n）—（c—O存f2n（11-12）
其中\为调制信号的最高频率。
式11-12表明，多频调幅时，最高频调幅波总的频带宽度为调制信号率的2倍。
图11-9复杂信号调制频谱
11.3.2模拟乘法器调幅电路
1.不同的调幅制式
由式11-10可知，载波分量是不包含信息的，因此，为了提高设备的功率利用率，可
DSB表示，其表
以不传送载波而只传送两个边带信号，这叫做抑制载波双边带调幅，用达式为
Udsb二maUcmCOSl】tcosct
maUcmCOS（・c；
：
」）tmaUcmCOS（c-门）
其频谱图如图11-10（c）所示。
由于两个边频带所含调制信息完全相同，从信号传输角度看，只要发送一个边带的信号即可，这种方式称为单边带调制，用SSB表示，其表达式为
1
maUcmCOS（c亠二）t
2
=1maUcmCOS（C-I）t
由图可以看出，只要将双边带调幅信号抑制掉一个边频SSB调制方式只发送一个边带，因而它不但功率利用门，比普通调幅和双边带调幅减小了一半，提高了波段利
USSB
其频谱图如图11-10（d）所示。
带，就成为单边带调幅信号，由于高、而且它所占用频带近似为用率。
%幅」
£
（a）
严咖幅度
■+O3
<
b）
心啊幅度
（11-13）
（11-14）
（11-15）
他+盘（!
）
何
图11-10不同制式的调幅波频谱
如果保留一个边带及载波对另一个边带进行部分抑制，称为残留单边带调制，用VSB表示。
在电视发射技术中，普遍米用残留单边带调幅制式。
2.调幅电路
由式（11-10）、（11-13）、（11-14）、（11-15）可以看出，调幅的过程实际上就是信号相乘的过程，因此，利用模拟乘法器就能实现振幅调制。
1、4之间的直流电压。
UQ（t）上附加直流电压，再与载波信号直接相乘，即Rp,使1、4两端直流电位不相等，就相当于给图中的输出电压为
图11-11给出了用模拟乘法器MC1496实现一般调幅的电路，调制信号uQ（t）从芯片的1脚输入，载波uc（t）由10脚输入，已调信号由6脚输出。
在1、4之间接两个10kQ电阻和一个47kQ的电位器，是为了灵活调节
由式11-9可知，只要在调制信号可得到一般调幅信号。
因此，只要调节ua（t）上叠加了一个直流电压U。
这时，
U°
（t）=KUc（t）[UUQ⑴]
二KUcmCOS，ct（UuQmCOS^t）
=KUUcm（1罟cosl】t）cosct
（11-16）
其中ma
UQm
o
二KUUcm（1macosl】t）cos，ct
UQ（t），就实现了
（11-17）
+6V忆
C
O.lpt-
氐°
II
R\lOkQ
10ld2
n总
U5IQ
4
14
lkQ
10MCI496
2kQ
%
G
HI—。
O.I^F
+12V
—□
0lpl?
可见，改变直流电压大小可以改变一般调幅信号的调幅度。
为了增加调节范围，可将
图11-11中的冃、R2阻值由10kQ改为750Q。
但U值不能小于uQm，否则将会产生过调幅现象。
如果调节Rp使1、4之间的直流电位相等，即1端子上只有调制信号
UQ（t）与Uc（t）的直接相乘，可得
Uo（t）=KUc（t）UQ（t）二KUcmUQmcoscteosi」t
KUcmUQm[COS（ct…'
）tCOS（c-I）t]
可见，图11-11所示电路也可获得抑制载频的双边带调幅信号输出。
-I2Vfl
47k£
l
图11-11MC1496型模拟乘法器调幅电路
1133模拟乘法器检波电路
调幅的过程是将低频信号的频谱线性地搬移到高频载频的两边，检波则是从高频调幅信号中还原低频信号的过程，即把低频信号的频谱重新搬回到低端，所以检波是调幅的逆过程。
完成检波任务的电路叫做检波器。
检波是无线电接收机中不可缺少的重要组成部分，同时也广泛应用于无线电测量和其他设备中。
1.包络检波
包络检波是指检波器输出的电压与输入的调幅波的包络成正比的检波方法。
对于普通调幅信号来说，由于其包络与调制信号成正比，包络就代表着它的调制信号波形。
因此，包络检波适用于对普通调幅波进行检波，其检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化的规律。
收音机中的检波电路和电视接收机中的高频检波电路均采用包络检波。
其原理可由图11-12（a）来表示，图11-12（b）为检波输入、输出频谱图。
幅度佃）包络检波曲理图
（b）频谱图
图11-12包络检波原理图
图11-12（a）中的非线性器件可以是二极管，也可以是三极管或场效应管。
电路种类也较多，下边以二极管峰值包络检波器为例进行讨论，电路如图11-13（a）所示。
在图中，Ui为输入的普通调幅信号，D为检波二极管，R、C构成低通滤波器，要求
C对高频短路，而对低频阻抗趋于无穷大。
而Cl为检波器输出端的耦合电容，其值较
大。
对于低频信号而言，电容Cl相当于短路。
Rl为下级电路的输入电阻。
由图11-13（a）
可见，加在二极管的正向电压为Uv=Ui-Uo，二极管导通与否，不仅与输入电压有关，还取
决于输出电压。
二极管导通时，电容充电，充电时间常数为rvC;
二极管截止时，电容放
电，放电时间常数为RC。
由于二极管导通电阻很小，因而一般有5C..RC。
图11-13（b）中的锯齿状变化波形表示了二极管导通与截止时Uo的波形。
当Ui>
u。
时，二极管导通，电容器充电，Uo上升，在图11-13（b）中表示为AB、CD、
EF等上升段。
当Ui<
时，二极管截止，电容通过电阻R放电，Uo下降，在图（b）中表示为BC、DE
等下降段。
由分析可知，二极管两端电压Uv在大部分时间里为负值，只在输入电压的每个高频
周期的峰值附近才导通，因此其输出电压波形与输入信号包络相同。
此时，平均电压Uo
包含直流及低频分量，如图11-13（c）所示，经G_隔直后，将U◎耦合至Rl上，如
图11-13（d）所示。
2.同步检波
由于DSB和SSB信号的包络与调制信号不同，它们的包络并不真实地反映调制信号的变化规律，因而不能用简单的包络检波，而必须采用同步检波，电路原理框图如图11-14（a）所示。
⑹
U）（d）
图11-13包络检波原理及波形
（琦同步检波电路愎用框图
叫一走氓电gcd
（b）频懈图
（）
（c）频谱图
（d）频诰图
图11-14同步检波原理图
图11-14（a）是利用模拟乘法器构成的同步检波电路原理框图。
它有两个输入电压，一
个是调幅信号电压5；
另一个是本地载波电压Ur。
为了能不失真地恢复原调制信号，本地
载波和原调制端的载波必须保持同频同相，所以称为同步检波。
设输入信号为抑制载频的双边带调幅信号，即
Ui=UimCOSctCOS二'
t
同步信号Ur^UrmCOSrt，要求-7。
因此可得乘法器输出电压Uo为
Uo二KUiUr
=KUimcos，Ctcos「tUrmcosrt
KUimUrmcos'
」tKUimUrmcos'
'
tcos2ct（11-18）
式中，^KUimUrmCOS’】t项是解调所需要的原调制信号，而COS23ct项是高频分量，
用低通滤波器将其滤除，就可得到
（11-19）
UQKUimUrmCO^1t
同样，若输入信号为单边带调幅信号，即Ui=Uimcos（•^•■■■■.）t，则乘法器的输出电压
Uo为
U。
=KUjUr
二KUimUrmCOS（，c"
）tCOS，ct
（11-20）
KUimUrmCOS"
tKU^UrmCOS
（2）t
经低通滤波器滤除高频分量，即可获得低频信号输出。
图11-14（b）、（c）、（d）为频谱图。
由集成模拟乘法器构成的实际同步检波电路如图11-15所示，图中模拟乘法器的型号为MC1596，普通调幅信号或双边带调幅信号经耦合电容后从y通道1、4脚输入，同步
信号
比从x通道&
10脚输入，12脚单端输出后经RCH型低通滤波器取出调制信号
UQ°
S20Q
IkQ
lkQ5in
01pF松一II—*一II—
0IpF
1.2kQ
4=0.luF
OjOOSjiF
O.QOSpF
图11-15模拟乘法器MC1596组成的同步检波电路
10MC1596
斗
（+12V）
DIpF
47pF
1—珊
11.4调频与调相
11.4.1调频与调相
1.调频
调频信号是高频信号的振幅不变，而高频信号的瞬时频率随调制信号而变化，且瞬时频率变化的大小与调制信号的强度成线性关系的已调信号。
设低频调制信号UQ二UQmCOSlIt，高频载波信号Uc（t）二UcmCOSct，则已调波的角频率为
（t）=—kfUQ（t）=—kfU.mCO^1t
=cu”mCOS门t（11-21）
（11-22）
fm=kfUM
3c为未调制时载波的中心频率；
为调频波最大
kf为由调制电路决定的比例常数;
角频偏。
瞬时相位
tt
（11-23）
（t）二o（t）dt二ctkf0UQ（t）dt
调频信号
调频波的波形如图形，（C）为调频波波形，
Ufm（t）二UcmCOs[ctkf0UJt）dt]
11-16所示，（a）为高频载波信号波形，（b）为低频调制信号（d）为调频波的角频率波形。
（11-24）
UQ的波
图11-16调频与调相信号的波形
当UQ为波峰时，调频波的瞬时角频率最大，等于（3c+A3m）,调频波波形最密；
当UQ
为波谷时，调频波的瞬时角频率最小，等于（3c-A3m），调频波波形最疏。
调频波的瞬时角
频率按低频信号变化规律而变化，由图11-16（d）可见，它是在载频的基础上加了受低频调
制信号控制的变化部分。
2.调相
调相信号是高频信号的振幅不变，而高频信号的瞬时相位随调制信号u^（t）而变化的
已调信号。
设高频载波为Uc（t）=UcmCOS.ct，调制信号为UQ（t）=UQmCOS「t，则调相信号的瞬时相位为
（t）二ctkpUQ（t）二ctkpUQmCOS1t（11-25）
其中，kp为由调制电路决定的比例常数。
瞬时角频率为
.,（t）=gc-kpUQm：
「sin二t（11-26）
dt
PM信号最大角频偏为
Mm=kpU饷0（11-27）
则调相信号的表达式为
Upm（t）=UcmCOS（，ctkpUQmCOS「t）=Ucmcos.ctmpco^11）（11-28）
其中，mp=kpUQm°
调相信号的波形如图11-16（e）、（f）所示，其中，（e）为调相波波形、⑴为调相波的角频
率波形。
由上述分析可知：
调频与调相信号都是等幅信号，二者的频率和相位都随调制信号而变化，但二者的频率和相位随调制信号变化的规律不同，由于频率与相位是微积分关系，因而二者是有密切联系的。
11.4.2调频方法
能够实现调频的方法很多，归纳起来有两种：
直接调频和间接调频。
直接调频是用调制信号直接控制载波的瞬时频率，以产生调频信号。
间接调频是先将调制信号进行积分，然后对载波进行调相，结果也可产生调频信号。
在调频电路中，常常利用变容二极管与电感线圈构成的LC谐振回路进行调频。
随着
集成电路的发展，涌现出了各种由集成电路构成的调频电路。
11.5混频、倍频与锁相环路
11.5.1混频
混频就是将高频信号经过频率变换，成为另一个固定的新的频率的过程。
这种频率变换，通常是把已调高频信号的载波从高频变为中频，同时保持其调制规律不变。
用非线性器件和模拟乘法器均能实现混频。
分立元件超外差式收音机中的混频电路就是由晶体三极管及LC谐振回路组成的。
在这里，仅介绍由模拟乘法器实现混频的原理,其原理框图如图11-17所示。
Mi.。
X
带通
i（M）
囲
Y
谑波器
图11-17由模拟乘法器混频的原理图
设输入到混频器的已调波为
u=Uimcos「」tcosct
本地振荡为
uL=ULmcos;
.-;
Lt
乘法器的输出电压为
Uo（t）二KUimULmCOS：
:
tcosctcosLt
KUimULmcost[cos（L'
c）tcos（L-c）t]
可利用带通滤波器取出所需的边带，即可得到中频信号电压为
uo（t）KUimULmcos:
「tcos（L；
-；
c）t=Uomcos:
tcosot
UomKUimULm,o二L一c（11-29）
从式11-29可看出，混频后得到的中频信号Uo（t）与输入信号Ui相似，中频信号所包含
的信息没变，只是载频由原来的％变为％。
11.5.2倍频
倍频电路输出信号的频率是输入信号频率的整数倍，即倍频电路可以成倍数地把信号频谱搬移到更高的频段。
能够实现倍频的电路很多，而由模拟乘法器实现倍频的原理如图11-18所示。
叭（0
滤波器
图11-18用模拟乘法器实现二倍频的原理图
设
（11-30）
（11-31）
ui（t）=Uimcost
f22K2.
Uo=KUimcostUim（1cos2t）
经高通滤波器选出二倍频，可得
K2Uo（t）UimC0s2・t（11-32）
倍频在电子系统及通信系统中均有广泛的应用，如利用倍频器可以实现频率合成；
利用振荡器的输出进行倍频，可以得到更高的所需振荡频率等。
11.5.3锁相环路
锁相
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