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1、第4章振幅调制解调与混频电路2第1页，此课件共26页哦4.2.1包络检波电路包络检波电路 普普通通调调幅幅波波，其其载载波波分分量量未未被被抑抑制制掉掉，可可直直接接利利用用非非线线性性器器件件实实现现相相乘乘作作用用，得得到到所所需需的的解解调调电电压压，勿勿须须另另加加同同步步信信号号，称称包络检波器包络检波器。最最常常用用的的检检波波器器：二二极极管管包包络络检检波波器器(在在集集成成电电路路中中，主主要要采采用三极管射极包络检波电路用三极管射极包络检波电路)。一、工作原理一、工作原理1电路电路类类似似二二极极管管整整流流电电路路，由由 D 和和低低通通滤滤波波器器 RLC 相相串串接接
2、构构成。成。特点：检波二极管与负载特点：检波二极管与负载 RL 相串联。相串联。第2页，此课件共26页哦2原理原理 （1 1）输输入入等等幅幅信信号号：vS(t)=Vm0cos ct，若若其其幅幅值值足足够够大大，可可设二极管伏安特性用在原点转折的两段折线逼近。设二极管伏安特性用在原点转折的两段折线逼近。D 导通时，导通时，vS 向向 C 充电，充电，充充=RDC；D 截止时，截止时，C 向向 RL 放电，放电，放放=RLC；0t1：D导通，导通，vs(t)通过通过RD对对C充电；充电；t=t1：vs(t)=vo(t)；t1t2：D截止，截止，vo(t)向向RL放电；放电；RL RD,放放 充
3、充；t=t2：vs(t)=vo(t)；t2t3：类似：类似0t1，vs(t)通过通过RD对对C充电。充电。同整流电路：同整流电路：第3页，此课件共26页哦VAV值与输入信号幅值值与输入信号幅值 Vm0 成正比：成正比：VAV=dVm0，d：检波电压传输系数：检波电压传输系数(检波系数检波系数)，恒小于，恒小于 1。充充放放电电达达到到动动态态平平衡衡后后，输输出出电电压压便便将将稳稳定定在在平平均均值值 VAV 上上下按角频率下按角频率 c 作锯齿状波动。作锯齿状波动。开始时，开始时，Q充充Q放放，vo(t)D的导通时间（的导通时间（t2-t3）Q充充，Q放放,最终最终Q充充=Q放放 当当 且
4、且 时，时，即，即 ，称，称为理想检波，为理想检波，这时二极管大部分时间是截止的，导通时间极短（导通角极小）。这时二极管大部分时间是截止的，导通时间极短（导通角极小）。第4页，此课件共26页哦 （2 2）输输入入调调幅幅信信号号：vS(t)=Vm0(1+Macos t)cos ct，vAV应应近近似其包络。似其包络。充充放放电电达达到到动动态态平平衡衡后后，输输出出电电压压便便将将稳稳定定在在平平均均值值 vAV 上上下下按按角角频频率率 c 作作锯锯齿齿状状波动。波动。由于由于 ，所以当输入信号的幅度变化时，所以当输入信号的幅度变化时，vAV也按同样也按同样规律变化。规律变化。第5页，此课件
5、共26页哦即即 vAV=VAV+V mcos t 且且其其值值与与输输入入调调幅幅信信号号包包络络 Vm0(1+Macos t)成正比：成正比：VAV=dVm0，V m=dMaVm0=Ma VAV d：检波电压传输系数：检波电压传输系数(检波系数检波系数)。要求：要求：大信号，即大信号，即vs(t)的最小振幅的最小振幅 ，二极管的伏安特性才能，二极管的伏安特性才能用在原点转用在原点转折的两段折线逼近。折的两段折线逼近。此此外外，二二极极管管电电流流 i 为为高高度度按按输输入入调调幅幅信信号号包包络络变变化化的的窄窄脉脉冲序列，如图冲序列，如图(b)所示。所示。第6页，此课件共26页哦(1)D
6、 的作用的作用原理上，原理上，D 起着受起着受载波电压控制的开关作用载波电压控制的开关作用。实实际际上上，受受 RLC 电电压压反反作作用用，D 仅仅在在载载波波一一个个周周期期中中接接近近正正峰峰值值的的一一段段时时间间(vS vC)内内导导通通(开开关关闭闭合合)，而而在在大大部部分分时时间间内内截止截止(开关断开开关断开)。(2)D 导通与截止时间与导通与截止时间与 RLC 大小有关大小有关。RLC C 向向 RL的的放放电电速速度度 C 的的泄泄放放电电荷荷量量 D 导导通通时间时间 锯齿波动锯齿波动 vAV 增大。增大。为提高检波性能，为提高检波性能，RLC 取值应足够大，要满足取值
7、应足够大，要满足和和 RL RD 的的条条件件。这这时时，根根据据上上述述讨讨论论可可以以认认为为，VAV Vm0，即即检检波波电电压压传传输输系系数数 d 趋趋于于 1，而而叠叠加加在在 vAV 上上的的残残余高频余高频(输出纹波输出纹波)电压趋于电压趋于 0。3讨论讨论第7页，此课件共26页哦二、输入电阻二、输入电阻1等效电路等效电路检波器前有中频放大器，其等效电路如图检波器前有中频放大器，其等效电路如图(b)：iS 和和 L1C1R1 中中频频放放大大器器折折算算到到检检波波器器输输入入端端的的等等效效电电流流源源和输出谐振回路和输出谐振回路(调谐在调谐在 c)。2物理意义物理意义检检波
8、波器器作作为为中中频频放放大大器器的的负负载载，可可以以用用检检波波输输入入电电阻阻 Ri 来来表表示这种负载效应。示这种负载效应。(1)Ri 定定义义：输输入入高高频频电电压压振振幅幅对对二二极极管管电电流流 i 中中基基波波分分量量振振幅的比值。幅的比值。第8页，此课件共26页哦(2)Ri 的求法：的求法：可近似从能量守恒原理求得。可近似从能量守恒原理求得。设设输输入入高高频频等等幅幅电电压压 vS(t)=Vm cos ct，则则检检波波器器从从输输入入信号源获得的高频功率为信号源获得的高频功率为输出平均功率输出平均功率 设设 D 导导通通时时间间很很短短，i 在在 RD 上上消消耗耗的的
9、功功率率可可以以忽忽略略，故故 PL Pi，又，又VAV Vm(检波电压传输系数检波电压传输系数 d 趋于趋于 1)，由此可得：，由此可得：(3)Ri 的的作作用用：使使中中频频谐谐振振回回路路的的谐谐振振电电阻阻由由 R1 减减小小到到(R1/Ri)，因因此此，iS 在在谐谐振振回回路路产产生生的的高高频频电电压压振振幅幅由由未未接接检检波波时时的的 下下降降到到接接检检波波后后的的 Vm。显显然然 Ri 越越小小，Vm 也也就就越小于越小于 ，称，称负载效应。负载效应。第9页，此课件共26页哦(4)负负载载效效应应的的抑抑制制：减减小小负负载载效效应应，须须增增大大 Ri，即即增增大大 R
10、L。但但增增大大 RL，受受检检波波器器惰惰性性失失真真(下下面面介介绍绍)的的限限制制。解解决决办办法：采用三极管射极包络检波电路。法：采用三极管射极包络检波电路。原理：原理：(1)发射结等效检波二极管；发射结等效检波二极管；(2)输输入入电电阻阻比比二二极极管管检检波波器器增增大大了了(1+)倍倍(该该检检波波电电路路广广泛泛应用于在集成电路中应用于在集成电路中)。第10页，此课件共26页哦三、大信号检波和小信号检波三、大信号检波和小信号检波(1)大信号检波大信号检波(包络检波包络检波)条条件件：二二极极管管伏伏安安特特性性可可用用原原点点转转折折的的两两段段折折线线逼逼近近(即即输输入入
11、电电压压足足够够大大，二二极极管管轮轮流流工工作作在在导导通通区区和和截截止止区区时时)，故故二二极极管管包络检波的这种工作状态称为包络检波的这种工作状态称为大信号检波大信号检波。实实际际电电路路：均均外外加加正正向向偏偏置置电电压压(或或电电流流)，克克服服 VD(on)的的影影响响。在在这这种种情情况况下下，工工程程上上，可可认认为为输输入入高高频频电电压压振振幅幅大大于于 500 mV 以上就能保证二极管检波器工作在大信号检波状态。以上就能保证二极管检波器工作在大信号检波状态。第11页，此课件共26页哦(2)小信号检波小信号检波 条条件件：vS 振振幅幅 Vm 足足够够小小(几几 十十几
12、几mV)，此此时时，二二极极管管应应设有很小的偏置电流（图设有很小的偏置电流（图(a)(a)电路：电路：-VCC通过通过R实现）实现）分分析析：二二极极管管工工作作在在伏伏安安特特性性的的弯弯曲曲部部分分。二二极极管管伏伏安特性采用幂级数逼近，即安特性采用幂级数逼近，即第12页，此课件共26页哦 其其中中，所所需需的的平平均均分分量量 IAV 由由二二次次方方项项产产生生，其其值值为为a2Vm2/2，相相应应的的输输出出平平均均电电压压 VAV 也也与与 Vm 的的平平方方成成正正比比，故故称称之之为为平平方律检波方律检波。讨论讨论缺点缺点 平平方方律律检检波波，输输出出平平均均电电压压 VA
13、V 与与 Vm 的的平平方方成成正正比比，故故不不能能正正确反映输入调幅波的包络变化而产生非线性失真。确反映输入调幅波的包络变化而产生非线性失真。这这时时，二二极极管管在在整整个个高高频频周周期期内内导导通通，检检波波器器从从信信号号源源获获得得到到高高频频功功率率大大部部分分消消耗耗在在 RD 上上，加加到到二二极极管管上上的的电电压压 vD vS(t)=Vmcos ct，将它带入，将它带入 i 的展开式：的展开式：第13页，此课件共26页哦检波器获得到高频功率大部分消耗在检波器获得到高频功率大部分消耗在 RD 上，因而可近似认为上，因而可近似认为即即 Ri RD，其值小于大信号检波，其值小
14、于大信号检波(Ri RL)时的数值。时的数值。由由于于小小信信号号检检波波存存在在上上述述缺缺点点，故故接接收收机机中中先先将将输输入入信信号号放放大再进行检波，以保证工作在大信号检波状态。大再进行检波，以保证工作在大信号检波状态。在在有有效效值值电电压压表表等等测测量量仪仪器器中中，利利用用小小信信号号检检波波的的平平方方律律特特性性，可可以以方方便便地地测测出出被被测测信信号号的的有有效效值值电电压压。在在这这类类仪仪器器中中，小小信信号号检检波波获得广泛应用。获得广泛应用。四、二极管包络检波电路中的失真四、二极管包络检波电路中的失真 为为保保证证检检波波器器不不失失真真，检检波波器器输输
15、入入调调幅幅电电压压 vS 须须足足够够大大，使使检检波器始终工作在大信号检波状态。波器始终工作在大信号检波状态。第14页，此课件共26页哦设设 vS(t)=Vm0(1+Macos t)cos ct则则包包络络的的最最小小值值 Vm0(1Ma)应应大大于于大大信信号号检检波波时时所所需需的的电电压压值值。当当二二极极管管的的导导通通电电压压 VD(on)由由外外加加偏偏置置电电压压予予以以克克服服时时，该该电电压压应应在在 500 mV 以上。因而这种情况下，保证大信号检波的条件为以上。因而这种情况下，保证大信号检波的条件为Vm0(1-Ma)500 mV其其次次，当当输输入入为为复复杂杂信信号
16、号调调制制的的调调幅幅波波时时，若若设设调调制制频频率率为为Fmin Fmax，如果电路参数选择不当，会产生如果电路参数选择不当，会产生频率失真频率失真。除除此此之之外外，当当解解调调调调幅幅波波时时，如如果果电电路路参参数数选选择择不不当当，二二极极管管包络检波器还会产生包络检波器还会产生惰性失真惰性失真和和负峰切割失真负峰切割失真。第15页，此课件共26页哦 1频率失真频率失真（1）C的影响的影响（a）C 对对 应等效短路，即应等效短路，即 （工程上（工程上 ）如如C太小，则纹波电压太大。太小，则纹波电压太大。（b）C 对对F 应等效开路，即应等效开路，即 即即C不能太大。如不能太大。如C
17、太大，则太大，则Fmax会衰减。而且不同的会衰减。而且不同的F，衰，衰减量不一样，这样检出的减量不一样，这样检出的 就会失真。同时还会引起惰性失就会失真。同时还会引起惰性失真。真。第16页，此课件共26页哦（2）Cc的影响的影响CC一般为大电解电容，起隔直耦合作用，对一般为大电解电容，起隔直耦合作用，对Fmin Fmax应相当应相当短路。短路。第17页，此课件共26页哦2惰性失真惰性失真(1)产生原因产生原因 要要使使vAV顺顺着着vs(t)(t)的的包包络络变变化化，在在vs(t)的的每每个个周周期期内内C应应充充放放电电一一次次。RL C过过大大时时，二二极极管管截截止止期期间间 C 通通
18、过过 RL 的的放放电电速速度度过过慢慢跟跟不上输入调幅波包络的下降速度，输出电平就会产生不上输入调幅波包络的下降速度，输出电平就会产生惰性失真惰性失真。(2)避免产生惰性失真的条件避免产生惰性失真的条件第18页，此课件共26页哦为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，C 通通过过 RL 的放电速度大于等于包络的下降速度，即的放电速度大于等于包络的下降速度，即可推得单音调制时不产生惰性失真的充要条件：可推得单音调制时不产生惰性失真的充要条件：(3)分析分析Ma和和 越越大大，包包络络的的下下降降速速度度越越快快，不不产产生生惰惰性性失失真
19、真所所要要求求的的 RLC 值必须越小。值必须越小。多音调制时，作为工程估算，多音调制时，作为工程估算，和和 Ma 应取其中的最大值。应取其中的最大值。第19页，此课件共26页哦3负峰切割失真负峰切割失真检波器交直流负载比例不当引起检波器交直流负载比例不当引起(1)检波器的检波器的交直流负载交直流负载检波器与下级放大器连接采用检波器与下级放大器连接采用 阻容耦合电路，阻容耦合电路，避免避免 vAV 中的中的直流分量直流分量 VAV 影响下级放大器的静态工作点。影响下级放大器的静态工作点。CC：隔隔直直电电容容，要要求求它它对对 呈交流短路；呈交流短路；Ri2：下级电路的下级电路的输入电阻输入电
20、阻。检波器的检波器的交流负载：交流负载：ZL()RL/Ri2直流负载：直流负载：ZL(0)=RL说明在这种检波电路中，说明在这种检波电路中，ZL()ZL(0)，且，且 ZL()ZL(0)(2)负峰切割失真负峰切割失真第20页，此课件共26页哦当当输输入入调调幅幅波波电电压压的的 Ma 较较大大时时，由由于于交交、直直流流负负载载不不等等，输输出出音音频频电电压压在在其其负负峰峰值值附附近近将将被被削削平平，出出现现“负峰切割失真负峰切割失真”，如图所示。，如图所示。(3)失真的原因失真的原因 正常情况正常情况无负峰切割无负峰切割若若等等幅幅波波输输入入，CC 上上产产生生直直流流电电压：压：V
21、AVVm0加到加到 D 的负端的负端 当当 Ma 较较小小时时，加加到到 D 正正端端的的包包络络电电压压在在一一个个周周期期内内总总是是大大于于VRL，二二极管导通，工作正常；极管导通，工作正常；第21页，此课件共26页哦 异常情况异常情况有负峰切割有负峰切割若若 Ma 较较大大，可可能能在在 t1-t2 内内，包包络络电电压压 Vm VRL，D 重重新新导导通。通。Ma 越大，或越大，或 Ri2 越小，失真越大越小，失真越大 避免负峰切割失真的条件避免负峰切割失真的条件(Vm0Ma Vm0)VRL 可可见见，交交直直流流电电阻阻越越接接近近，不不产产生生负负峰峰切切割割失失真真所所允允许许
22、的的 Ma 值值就就越越接接近近于于 1。第22页，此课件共26页哦 改进措施改进措施出出发发点点：减减小小交交、直直流流负负载载电电阻的差别。阻的差别。法法1：将将 RL 分成分成 RL1 和和 RL2，当当 RL 维维持持一一定定时时，RL1 越越大大，交交、直直流流负负载载电电阻阻的的差差值值就就越越小小，但但输输出出音音频频电电压压也也就就越越小小。为为了了折折衷衷地地解解决决这这个个矛矛盾盾，实实用用电电路路中常取中常取 RL1/RL2=0.1 0.2。C2：进一步滤除高频分量，对：进一步滤除高频分量，对 呈开路呈开路。法法 2：当当 Ri2 过过小小时时，在在 RL 和和 Ri2
23、之之间间插插入入高高输输入入阻阻抗抗的的射射随器。随器。ZL()=RL1+RL2/Ri2；ZL(0)=RL1+RL2第23页，此课件共26页哦 例：广播收音机中检波器的实用电路（例：广播收音机中检波器的实用电路（P281）分析分析：（1）二极管正向偏）二极管正向偏置电路；置电路；（2）负峰切割失真的）负峰切割失真的克服；克服；（3）AGC电路电路AGC作用：作用：（1）使收音机接收不同电台强弱变化较大时，输）使收音机接收不同电台强弱变化较大时，输出音量基本不变；（出音量基本不变；（2）使同一电台的音量不至于有明显的忽）使同一电台的音量不至于有明显的忽大忽小。大忽小。第24页，此课件共26页哦4
24、.2.2 同步检波电路同步检波电路一同步检波作用一同步检波作用：又称为相干检波，解调各种振幅调制信号。又称为相干检波，解调各种振幅调制信号。二实现电路二实现电路相乘器相乘器+低通低通二极管包络检波二极管包络检波1.相乘器相乘器+低通低通（P228 4.1.2小节）小节）（1 1）实现模型）实现模型vs(t)：输入已调波，可以是：输入已调波，可以是AM或或DSB或或SSB。vr(t):同步信号同步信号与载波与载波 同频同相。同频同相。第25页，此课件共26页哦 以以DSB信号信号为例为例:经过经过低通低通滤滤波器波器滤滤去去 后：后：（K为比例系数）低通滤波器的上限频率：低通滤波器的上限频率：2.2.频谱搬移过程频谱搬移过程LPFDSB：0第26页，此课件共26页哦