高頻電子線路6

第6章頻率變換電路基礎(chǔ)6.1概述

6.2非線性元器件的特性描述

返回休息1休息26.3模擬相乘器及基本單元電路

6.4單片集成模擬乘法器及其典型應(yīng)用6.1概述

級(jí)數(shù)展開分析方法

指數(shù)函數(shù)分析方法：)1e(IiKT/quScBE-=

折線分析法

線性時(shí)變電路分析法

休息1休息26.2非線性元器件的特性描述

休息1休息2第6章非線性電路，線性時(shí)變參數(shù)電路輸入信號(hào)頻譜輸出電流信號(hào)頻譜休息1休息2icicvBvBEic§6．2線性時(shí)變電路分析法休息1休息2休息1休息2相乘器

kv1v2vO輸入信號(hào)頻譜輸出信號(hào)頻譜二差分對(duì)模擬乘法器電路分析休息1休息2ic2ic1ioZZiovo1.單差分對(duì)電路休息1休息2+vd-idv2S(t)返回繼續(xù)三開關(guān)函數(shù)分析法ididid休息1休息26.3模擬相乘器及基本單元電路等各種技術(shù)領(lǐng)域

模擬乘法器可應(yīng)用于：1.模擬相乘器的基本概念模擬乘法器具有兩個(gè)輸入端（常稱X輸入和Y輸入）和一個(gè)輸出端（常稱Z輸出），

是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，電路符號(hào)如右圖所示：uxuyuZXYZ理想乘法器：

uz(t)=Kux(t)uy(t)式中：K為增益系數(shù)或標(biāo)度因子，單位：，K的數(shù)值與乘法器的電路參數(shù)有關(guān)。或Z=KX·Y繼續(xù)返回一、乘法器的工作象限乘法器有四個(gè)工作區(qū)域，可由它的兩個(gè)輸入電壓的極性確定。XYXmax-XmaxYmax-Ymax輸入電壓可能有四種極性組合：

XYZ（+）·（-）=（-）第Ⅳ象限（-）·（-）=（+）第Ⅲ象限（-）·（+）=（-）第Ⅱ象限

（+）

·（+）=（+）第Ⅰ象限如果：兩個(gè)輸入信號(hào)只能為單極性的信號(hào)的乘法器為“單象限乘法器”；一個(gè)輸入信號(hào)適應(yīng)兩種極性，而一個(gè)只能是一種單極性的乘法器為“二象限乘法器”；兩個(gè)輸入信號(hào)都能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性的乘法器為“四象限乘法器”。二、理想乘法器的基本性質(zhì)

1、乘法器的靜態(tài)特性（1）繼續(xù)返回（3）當(dāng)X=Y或X=-Y，Z=KX2或Z=-KX2，輸出與輸入是平方律特性（非線性）。XYX=YX=-Y

2、乘法器的線性和非線性理想乘法器屬于非線性器件還是線性器件取決于兩個(gè)輸入電壓的性質(zhì)。一般：①當(dāng)X或Y為一恒定直流電壓時(shí)，Z=KCY=K`Y，乘法器為一個(gè)線性交流放大器。②當(dāng)X和Y均不定時(shí)，乘法器屬于非線性器件。（2）當(dāng)X=C（常數(shù)），Z=KCY=K‘Y，Z與Y成正比（線性關(guān)系）XYC>0C<0繼續(xù)返回①基本電路結(jié)構(gòu)

T1，T2，T3，T4為雙平衡的差分對(duì)，T5，T6差分對(duì)分別作為T1，T2和T3，T4雙差分對(duì)的射極恒流源。

二、

吉爾伯特（Gilbert）乘法器

1、Gilbert乘法單元電路是一種四象限乘法器，也是大多數(shù)集成乘法器的基礎(chǔ)電路。繼續(xù)返回休息1休息2②工作原理分析根據(jù)差分電路的工作原理：又因，輸出電壓：二、

吉爾伯特（Gilbert）乘法器+ux-+uy--uo+iAiBi2i1i3i4i5i6當(dāng)輸入為小信號(hào)并滿足：而標(biāo)度因子

Gilbert乘法器單元電路，只有當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，具有較理想的相乘作用,ux，uy

均可取正、負(fù)兩極性，故為四象限乘法器電路，但因其線性范圍小，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。繼續(xù)返回仿真休息1休息2Io2、具有射極負(fù)反饋電阻的Gilbert乘法器

使用射極負(fù)反饋電路Ry，可擴(kuò)展uy的線性范圍，Ry取值應(yīng)遠(yuǎn)大于晶體管T5,T6的發(fā)射極電阻，即有靜態(tài)時(shí)，i5=i6=IoY

,當(dāng)加入信號(hào)uy時(shí)，流過Ry的電流為：i5i6iAiB+ux-+uy--uo+IoyIoyiY∴有+uy-iY如果ux<2UT=52mV時(shí)，返回仿真繼續(xù)休息1休息23、線性化Gilbert乘法器電路具有射極負(fù)反饋電阻的雙平衡Gilbert乘法器，盡管擴(kuò)大了對(duì)輸入信號(hào)vy的線性動(dòng)態(tài)范圍，但對(duì)輸入信號(hào)ux的線性動(dòng)態(tài)范圍仍較小，在此基礎(chǔ)上需作進(jìn)一步改進(jìn)，下圖為改進(jìn)后的線性雙平衡模擬乘法器的原理電路，其中D1，D2，T7，T8構(gòu)成一個(gè)反雙曲線正切函數(shù)電路。返回繼續(xù)uxux'uyuo工作原理分析：i7ixi8iyiAiBuxuyux'上圖電路中，T7，T8，Rx，Iox構(gòu)成線性電壓—電流變換器。∴有voIoxIoxIoyIoy而為二極管D1與D2上的電壓差，即:

利用數(shù)學(xué)關(guān)系：，則上式可寫成：（1）代入（2）可得：其中標(biāo)度因子：可見大大擴(kuò)展了電路對(duì)ux和uy的線性動(dòng)態(tài)范圍，改變電阻Rx或Iox可很方便地改變相乘器的增益。

返回繼續(xù)仿真+UD1-+UD2-iD1iD2休息2休息1

6.4單片集成模擬乘法器及其典型應(yīng)用一、MC1496/MC1596及其應(yīng)用vxvy1、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)與具有射極負(fù)反饋的雙平衡Gilbert相乘器單元電路比較，電路基本相同，僅恒流源用晶體管T7，T8代替，二極管D與500電阻構(gòu)成T7，T8的偏置電路。反偏電阻Ry外接在引腳②、③兩端，可展寬vy輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，并可調(diào)整標(biāo)度因子K。2、外接元件參數(shù)的計(jì)算iy+vy-①負(fù)反饋電阻Ry且應(yīng)滿足|iy|<Ioy若選擇Ioy=1mA，vym=1V（峰值）返回繼續(xù)Ioy休息2休息1D500由右圖電路可得：當(dāng)時(shí)，③負(fù)載電阻Rc=R4=R5引腳⑥、⑨端的靜態(tài)電壓：V6=V9=Vcc-IoY·Rc，若選V6=V9=8V，Vcc=12V，則有：，標(biāo)稱值為3.9。②偏置電阻R10V6V9R10500-VeeIoy

返回繼續(xù)休息2休息1三、

MC1495/MC1595（BG314）及其應(yīng)用

1、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)vx++vy①內(nèi)部電路如圖所示，由線性化雙平衡Gilbert乘法器單元電路組成。輸入差分對(duì)由T5，T6，T7，T8和T11，T12，T13，T14的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，以提高放大管增益及輸入阻抗。

負(fù)反饋電阻RY，Rx，負(fù)載電阻Rc，恒流偏置電阻R3及RW5，R13及R1均采用外接元件。返回繼續(xù)休息2休息1vovx+-vy+-

MC1595

（BG314）1214489125610117133R1RcRcR13RxRyVCCVEER3Rw52、外圍元件設(shè)計(jì)計(jì)算如果設(shè)計(jì)一個(gè)上圖所示的乘法器電路，并要求：輸入信號(hào)范圍為：輸出電壓范圍為：由以上的要求可知，乘法器的增益系數(shù)返回繼續(xù)休息2休息1①負(fù)電源的-VEE的選取負(fù)電源應(yīng)能確保輸入信號(hào)Vx，Vy為最大負(fù)值時(shí)，電路仍能正常工作，以Vy輸入端為例：當(dāng)|Vy|=|Vym|=10V時(shí)，由右圖的等效電路可以看出：VBE5VBE6VCE9VRe9若T5，T6，T9正常工作，且設(shè)VBE5=VBE6=0.7V，VCE9+VRE9≥2V（以保持T9工作于線性區(qū)）則故可取-VEE=-15V返回繼續(xù)休息2休息1②偏置電阻R3，R13的計(jì)算恒流源偏置電阻R3，R13應(yīng)保證能提供合適的恒流電流，使三極管工作在特性曲線良好的指數(shù)律部分，恒流源電流一般取0.5～2mA之間的電流值，現(xiàn)若取Iox=Ioy=1mA，以引腳③為例，設(shè)VD3=VD4=0.7V，如右圖的等效電路可IoxIR3同理可求出R13=13.8，一般R3采用10固定電阻和6.8電位器的串聯(lián)，以便通過調(diào)Iox來控制增益參數(shù)K。返回繼續(xù)休息2休息1+vx

-③負(fù)反饋電阻Rx和Ry的計(jì)算如右圖所示電路可得：同理可得：④負(fù)載電阻Rc由于增益系數(shù)：ixmaxixmaxixmaxixmaxixmax⑤電阻R1取引腳①的電壓為+9V，則返回繼續(xù)V13、失調(diào)誤差電壓及其調(diào)整實(shí)際乘法器電路由于工藝技術(shù)、元器件特性的不對(duì)稱，不可能實(shí)現(xiàn)理想相乘，會(huì)引入乘積誤差，若設(shè)乘法器工作在直流輸入時(shí)，輸出電壓可表示為：其中：△K：增益系數(shù)誤差，可通過IR3的調(diào)整使其誤差值達(dá)最小值；XIO：乘法器X通道輸入對(duì)管不對(duì)稱引起的輸入失調(diào)電壓；

YIO：乘法器Y通道輸入對(duì)管不對(duì)稱引起的輸入失調(diào)電壓；

Zos：負(fù)載不匹配引起的輸出失調(diào)電壓。①輸出失調(diào)誤差電壓Zoo定義：當(dāng)X=Y=0時(shí)的輸出電壓稱為輸出失調(diào)誤差電壓Zoo。

Zoo=±KXIOYIO+Zos，忽略了二階小量項(xiàng)（△K·XIO，△KYIO）。

輸出失調(diào)誤差電壓Zoo，可借助外電路予以調(diào)零，以補(bǔ)償輸出失調(diào)電壓，下圖給出兩種輸出失調(diào)調(diào)零電路。返回繼續(xù)圖（a）通過調(diào)節(jié)電位器Wz，調(diào)整乘法器輸出端集電極負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)輸出失調(diào)電壓的調(diào)零。①輸出失調(diào)誤差電壓Zoo返回繼續(xù)休息2休息1圖（b）利用電位器Wz調(diào)節(jié)A的負(fù)相端電位來實(shí)現(xiàn)失調(diào)誤差電壓的調(diào)零。①輸出失調(diào)誤差電壓Zoo返回繼續(xù)休息2休息1②X（或Y）饋通誤差電壓KYIOX（或KXIOY）

實(shí)際乘法器中當(dāng)一個(gè)輸入端接地，另一輸入端加入信號(hào)電壓時(shí)，其輸出往往不為零，這個(gè)輸出電壓稱為線性饋通誤差電壓。

它是由于輸入接地端存在輸入失調(diào)電壓而引起的，線性饋通誤差電壓可通過輸入端的外接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行調(diào)零，線性饋通誤差電壓調(diào)零電路如下圖所示。返回繼續(xù)休息2休息1同理，可借助調(diào)節(jié)輸入失調(diào)電位器Rwy引入一補(bǔ)償電壓（引腳12對(duì)地電壓），使輸出電壓為零，使Zoy調(diào)零。當(dāng)輸入電壓X=0時(shí)，乘法器在輸入電壓Y的作用下，輸出電壓Z|x=0=±KYXIO，借助調(diào)節(jié)輸入失調(diào)電位器Rwx引入一個(gè)補(bǔ)償電壓（即引腳⑧對(duì)地直流電壓），使輸出電壓為零。返回繼續(xù)休息2休息14、乘法器的調(diào)整步驟：乘法器在使用前應(yīng)仔細(xì)調(diào)整，才能使電路具有良好的性能。（1）線性饋通誤差電壓調(diào)零電位器Wz，Rwx，Rwy先置于中間位置：

X輸入端④腳接地，從Y輸入端⑨腳輸入頻率為15KHZ，幅度為1Vpp的正弦波，調(diào)節(jié)Rwx，⑧腳會(huì)產(chǎn)生附加補(bǔ)償電壓，從而使Vo=0；然后⑨腳接地，④腳輸入同樣的正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)Rwy，11腳會(huì)產(chǎn)生附加補(bǔ)償電壓，使Vo=0。（2）輸出失調(diào)誤差電壓調(diào)零④、⑨腳均短接到地，調(diào)節(jié)Wk值，使Vo=0，反復(fù)上述兩步驟，直到上述三種情況下，Vo均為零，或最小值。（3）增益系數(shù)K的調(diào)整④、⑨腳均加入5V直流電壓，調(diào)Wk值，改變Iox，使Vo=+2.5V。④、⑨引腳改接-5V直流電壓，若此時(shí)Vo=2.5V，則調(diào)整結(jié)束。如Vo≠2.5V,則應(yīng)重復(fù)步驟（1）～（3）直到精度最高為止。返回繼續(xù)休息2休息16.5模擬集成乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用一、乘法與平方運(yùn)算電路當(dāng)Vx=Vi1，Vy=Vi2若Vi1=Vi2=Vi，則有Vo=實(shí)用電路如下圖所示：則有Vo=Kvi1vi2

；其中：vi1