西电射频大作业

题目：射频大作业

题目一：基于PSpice仿真的振幅调制电路设计

1.1 基本要求

参考教材《射频电路基础》第五章振幅调制与解调中有关差分对放大器调幅和二极管调幅的原理，选择元器件、调制信号和载波参数，完成PSpice电路设计、建模和仿真，实现振幅调制信号的输出和分析。

1.2 实践任务

(1) 选择合适的调制信号和载波的振幅、频率，通过理论计算分析，正确选择晶

体管和其它元件；搭建单端输出的差分对放大器，实现载波作为差模输入电压，调制信号控制电流源情况下的振幅调制；调整二者振幅，实现基本无失真的线性时变电路调幅；观察记录电路参数、调制信号、载波和已调波的波形和频谱。 (2) 参考例5.3.1，修改电路为双端输出，对比研究平衡对消技术在该电路中的应用效果。

(3) 选择合适的调制信号和载波的振幅、频率，通过理论计算分析，正确选择二极管和其它元件；搭建单二极管振幅调制电路，实现载波作为大信号，调制信号为小信号情况下的振幅调制；调整二者振幅，实现基本无失真的线性时变电路调幅；观察记录电路参数、调制信号、载波和已调波的波形和频谱。

(4) 参考例5.3.2，修改电路为双回路，对比研究平衡对消技术在该电路中的应用效果。

摘要

此次振幅调制电路仿真设计基于 Multisim ，利用其丰富的仿真元器件库和强大的行为建模工具，分别设计了差分对放大器和二极管振幅调制电路， 由此对线性时变电路调幅有了更进一步的认识； 同时，通过平衡对消技术分别衍生出双端输出的差分对放大器和双回路二极管振幅调制电路，消除了没用的频率分量，从而得到了更好的调幅效果。

关键词：振幅调制 Multisim 差分对放大器 二极管振幅调制电路 平衡对消技术

一．差分队放大器调幅的设计

1.1单端输出的差分对放大器调幅电路的设计原理

如图1.1为单端输出的差分对放大器调幅电路图，c u (V1)为差模输入电压，在交流通路中加在晶体管Q1和Q2的基极之间，u Ω(V2)控制电流源的电流，即晶体管Q3的集电极电流3C i 。

图1.2所示的转移特性给出了Q1和Q2的集电极电流12,C C i i 与c u 和3C i 之间的关系。根据差分对放大器的电流方程，有

31(1)22C c C T

i u i th U =+ (2.1)

其中T U 为热电压。对电流源的分析得:

()33EE BE on C E E

U U u i i R Ω

-+≈=

(2.2)

代入上式得到

()1()

0(1)221(1)(1)2222()()EE BE on c

C E

T

EE BE on c c E

T E T

U U u u i th

R U U U u u th

th u R U R U I t g t u Ω

ΩΩ

-+=

+-=

+++=+ (2.3)

其中

()

0(

)(1)221

()(1)22EE BE on c

E

T

c E T

U U u I t th

R U u g t th R U -=

+=

+ (2.4)

图1.1单端输出的差分对放大器调幅原理电路图

ic1,ic2

ic1

ic2

图1.2差动放大器的转移特性

以下分三种情况讨论0()I t 和()g t 中的双正切函数:

(1)当cm T U U <时，差动放大器工作在线性区，双曲正切函数近似为自变量：

22c c T T

u u th U U = (2.5) (2)当4cm T U U >时，差动放大器工作在开关状态，双曲正切函数的取值是1或-1，即

210()102c c

c c T u u th k t u U ω>?≈=?

-

(2.6) 其中2()c k t ω为双向开关函数。

(3)当函数取值位于情况(1)和情况(2)之间时，差动放大器工作在非线性区，双曲正切函数可以展开成傅里叶级数：

211()cos(21)2c cm n c n T T

u U

th n t U U βω∞

-==-∑(7)

情况(1)下，1C i 中包含频率为c ω、c ω±Ω的载频分量和上下边频分量；情况(2)和情况三(3)下，1C i 中包含频率为(21)c n ω-、(21)c n ω-±Ω(1,2,3)n =的载频分量和上下边频分量，无论哪种情况都可以滤波输出普通调幅信号。 1.2双端输出的差分对放大器调幅电路的设计原理 双端输出差分放大调幅电路如图1.3所示：

图1.3 双端输出差分放大调幅电路

根据差分对放大器的电流方程，晶体管V1和V2的集电极电流为：

31(1)22C c C T i u i th U =+ (2.7)

31(1)22C c C T

i u i th U =- (2.8)

其中3i 为晶体管V3提供电流源电流。

()3EE BE on C E

U U u i R Ω

-+= (2.9)

1C i 和2C i 中的电流成分32

C i

在电路中的流向相反，输出电流3022C c T i u i th U =将在LC

并联回路上产生的输出电压

u，实现平衡对消。

1.3电路设计和仿真分析

1.3.1器件的选择

电路图采用图1.1的设计，载波的频率选用5

c MHz

ω=，于是设计LC并联回路的频率等于

c

ω，采用电容C=800pF，电感L=1.3uH.参考各种三极管的参数，选择三极管Q2N2222。

1.3.2单端输出的差分对放大器调幅电路的设计及仿真

根据1.1中的设计思想，以及双曲正切函数的性质和载波的幅度和热电压的关系，通过调整载波的幅度使单端输出的差分对放大器调幅电路分别工作在非线性区，线性区和开关状态。首先调整载波和调制信号振幅是输出为一个不失真的调幅波。

单端输出的差分对放大器调幅电路载波和调制信号幅度的调整

(1)经过几次调整载波和调制信号的幅度，当调整载波的幅度为0.1v,调制信号的幅度为2v，给调制信号一个直流偏置-3v时，其输出不失真，是一个很好的调幅波。电路图如图1.1所示，仿真时序波形如图1.4所示，频谱如图1.5所示

图1.4载波和调制信号幅度的调整

1.5输出电压的频谱图

分析：

由于热电压的大小是0.026v,以上载波的幅度为0.1v，图1.1的电路设计和2.1所示波形则为单端输出的差分对放大器调幅电路工作在非线性区的电路设计及仿真

(2)单端输出的差分对放大器调幅电路工作在线性区的电路设计及仿真

当差动放大器工作在线性区时，取 Ucm=0.03V，电路图仍然采用图1.1的设计，通过Multisim仿真得到结果如下：

的波形为：

调制信号、载波和输出电压u

o

输出电压u

的频谱为：

o

（3）单端输出的差分对放大器调幅电路工作在开关状态的电路设计及仿真当差动放大器工作在开关状态时，取Ucm=0.3V，电路图仍然采用图1.1的设计，通过Multisim仿真得到结果如下：

的波形为：

调制信号、载波和输出电压u

o

的频谱为：

输出电压u

o

1.4双端输出的差分对放大器调幅电路的设计及仿真双端输出的差分放大器调幅电路的电路图如下图。

双端输出的差分对放大器调幅电路

仿真得到的波形如下：

其频谱图如下：

通过该电路设计，可以很好体现平衡对消技术在电路中的作用，晶体管Q1和Q2的集电极电流中的电源直流分量在LC 回路中流向相反，产生的电压也反向抵消，实现了平衡对消。

二．二极管振幅调制的设计

2.1单二极管振幅调制的设计原理

如图2.1.1为单二极管振幅调制的原理电路图，原理电路图中忽略二极管VD 的导通电压，并设带通滤波器的输入电阻已并联这算入负载电阻R L ，则得到图2.1.2所示的V D 与R L 串联支路的伏安特性。导通状态下的伏安状态特性近似为直

线，斜率为D

L R r 1

+,r D 为V D 的交流电阻。在U cm >>U Ωm ,c ω>>Ω时，V D 的导通和截止

近似取决于u c 的正负。

2.1.1原理电路

2.1.2伏安特性

输入电流：()()t k r R uc u t k r R u c D L c D L i i ωω11i ++=+≈

Ω()()Ω+++=u t k r RL u t k R c D

c c D L ωω111

r 1 ()Ω+=u t g I )(t 0

其中，时变电流和时变电导分别为： c c D

L u t k r R t I )(1

)(10ω+=

)(1

)(1t k r R t g c D

L ω+=

i i 在R L 上产生的负载电压L i L R i u =是i i 的各个频率分量分别乘以R L 后得到的各个电压频率分量的叠加，u L 经过中心频率...),3,2,1()12(=-=0n n c ωω带宽BW BPF ≥2Ω的带通滤波器，取出通频带内的频率分量，产生调幅信号。n=1时输出普通调幅信号：

]

)cos()

()cos()(cos )(2[t r R U R t r R U R t r R U R k u u c D L m

L c D L m L c D L cm L

F AM o Ω-++Ω++++==ΩΩωπωπω t t m U c a sm ωcos )cos 1(Ω+=

其中：

D L cm L F r R U R k U +=

21sm cm

m

a U U Ω=π4m

式中k F 为滤波器的增益。

2.2采用平衡对消技术的二极管振幅调制的设计原理

采用平衡对消技术的二极管调幅电路如图2.2.1所示，Tr 1,Tr 2和Tr3是宽频变压器，Tr 1和Tr 3为中心抽头。忽略二极管V D1和V D2的导通电压，VD1，VD2的交流电阻为r D ,。Ω>>>>=Ω=ΩΩΩc m cm c cm c m U U t U u t U ωω,,cos ,cos u

2.2.1电路

当u c >0时,V D1导通，V D2截止，上回路和下回路的输入电流：

0,i 21=++=

Ωi r R u u D

L c

i 此时Tr 3原边的上半部分与副边电感耦合，负载电流：

D

L c

i L r R u u i ++==Ω1i

当u c <0时，V D1截止，V D2导通，上回路和下回路的输入电流：

D

L c

i i r R u u i +-==Ω21,0i

此时，Tr 3原边的下半部分和副边电感耦合，负载电流：

D

L c

i L r R u u i +--=-=Ω2i

则在任意时刻，有：

)()(i 11πωω-+--++=ΩΩt k r R uc u t k r R u u c D

L c D L c L

)]()([u )]()([u 1111c πωωπωω--++-++=

Ω

t k t k r R t k t k r R c c D

L c c D L )(u 2c t k r R u r R c D

L D L ω+++=

Ω

式中利用了),(k )()(k ,1)()(k 21111t t k t t k t c c c c c ωπωωπωω=--=-+前者去除了i L 中的载频分量的谐波分量，后者去除了i L 中的调制信号分量，实现了平衡对消。i L 中包含频率为...)3,2,1()12(c =Ω±-n n c ωω和的频率分量，在负载电阻R L 上产生的负载电压uL 经过中心频率...),3,2,1()12(0=-=n n c ωω带宽BW BPF >>2Ω的带通滤波器可以输出普通调幅信号和双边带调幅信号。

上面电路图中的变压器Tr 3原边的上半部分和下半部分轮流与副边电感耦合，匝数比都是1:1，负载电阻RL 经过1:1的阻抗变换，反射到上下回路，得到的负载电阻都是R L 。

2.3电路设计和仿真分析 2.

3.1单二极管振幅调制

单二极管调幅电路图如下图所示：

仿真得到的波形如下：

其频谱图如下：

2.3.2采用平衡对消技术的二极管振幅调制

采用平衡对消技术的二极管调幅电路如下图所示：仿真得到的波形如下：

其频谱图如下：

三.实验总结

本次实验完成了差分对放大器调幅和二极管调幅电路对小信号载波电路的大信号调幅，通过对载波信号、调制信号以及已调波信号的理论分析和Multisim 软件仿真，真实的模拟了调幅电路中线性时变特性，并体现了调幅的不同实现

电路的共同点与差异性。通过信号的频谱分析可以清晰地反映信号的频率含量，从而可以对比不同调幅电路的性能效果。

四.参考文献

【1】孙肖子等.模拟电子电路及技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2008年

【2】邓军，赵建勋等.射频电路基础.西安：西安电子科技大学出版社，2010年