模拟乘法器市公开课一等奖省赛课微课金奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 6 章 集成模拟乘法器及其应用,第1页,引言,集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘器件，它广泛用于乘法、除法、乘方和开方等模拟运算，同时也广泛用于信息传输系统作为调幅、解调、混频、鉴相和自动增益控制电路，是一个通用性很强非线性电子器件，当前已经有各种形式、多品种单片集成电路，同时它也是当代一些专用模拟集成系统中主要单元。本章将以差分放大电路为基本单元电路变跨导模拟乘法器为例，讨论模拟乘法器基本工作原理及其应用。,第2页,6.1,集成模拟乘法器,6.1.1,集成模拟乘法器基本工作原理,一、模拟乘法器基本特征,模拟乘法器电路符号如图6.1.1所表示，它有两个输入端、一个输出端。若输入信号为u,X,、u,Y,，,则输出信号u,O,为,u,O,=ku,X,u,Y,(6.1.1),式中，K 称为乘法器增益系数，单位为V,-1,。,第3页,图6.1.1 模拟乘法器电路符号,X,K,Y,u,X,u,Y,u,O,第4页,依据乘法运算代数性质，乘法器有四个工作区域，由它两个输入电压极性来确定，并可用X-Y平面中四个象限表示。能够适应两个输入电压四种极性组合乘法器称为四象限乘法器；若只对一个输入电压能适应正、负极性，而对另一个输入电压只能适应一个极性，则称为二象限乘法器；若对两个输入电压都只能适应一个极性，则称为单象限乘法器。,式(6.1.1)表示，一个理想乘法器中，其输出电压与在同一时刻两个输入电压瞬时值乘积成正比，而且输入电压波形、幅度、极性和频率能够是任意。,对于一个理想乘法器，当 u,X,、u,Y,中有一个或两个都为零时，输出均为零。但在实际乘法器中，因为工作环境、制造工艺及元件特征非理想性，当 u,X,=0，u,Y,=0,时，u,O,0，,通常把这时输出电压称为输出失调电压；当 u,X,=0，u,Y,0(,或 u,Y,=0,u,X,0),时，u,O,0，,第5页,这是因为u,Y,(,或u,X,),信号直接流通到输出端而形成，称这时输出电压为u,Y,(,或u,X,),输出馈通电压。输出失调电压和输出馈通电压越小越好。另外，实际乘法器中增益系数 K 并不能完全保持不变，这将引发输出信号非线性失真，在应用时需加注意。,二、变跨导模拟乘法器基本工作原理,变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路基础上发展起来，它基本原理电路如图 6.1.2所表示。图中V,1,、V,2,为特征相同三极管，其,1,=,2,=,，r,be1,=r,be2,=r,be,。V,3,为恒流管，当u,Y,u,BE3,时，其集电极电流I,C3,u,Y,/R,E,，,当输入电压u,X,=0,时，I,E1,=I,E2,=I,C3,/2，,差分放大电路输出电压u,O,=0。,若差分放大电路输入电压为u,X,，,则由图6.1.2可得输出电压u,O,为,(6.1.2),第6页,图,6.1.2,模拟乘法器原理图,第7页,当I,E1,、I,E2,比较小时，V,1,、V,2,管输入电阻r,be,可近似为,(6.1.3),式中,U,T,为温度电压当量，在室温时U,T,26MV。,将式(6.1.3)代人式(6.1.2)，则得,(6.1.4),第8页,其中,(6.1.5),在室温下，K 为常数，可见输出电压u,O,与输入电压u,X,、u,Y,乘积成百分比，就是说图6.1.2所表示差分放大电路含有乘法功效。但u,Y,必须为正才能正常工作，故为二象限乘法器，其次，u,Y,小时误差比较大。所以，该电路乘法性能是不够理想。,6.1.2,单片集成模拟乘法器,采取两个差分放大电路可组成较理想模拟乘法器，称为双差分对模拟乘法器，也称为双平衡模拟乘法器。图6.1.3所表示(虚线框内)是依据双差分对模拟乘法器基本原理制成单片集成模拟乘法器MC1496内部电路。图中，V,1,、V,2,、V,5,和 V,3,、V,4,、V,6,分别组成两个基本模拟乘法器，V,7,、V,8,、V,9,、R,5,等组成电流源电路。,第9页,图6.1.3 MC1496型集成模拟乘法器,第10页,R,5,、V,7,、R,1,为电流源基准电路，V,8,、V,9,均提供恒值电流I,O,/2,改变外接电阻R,5,大小，可调整I,O,/2,在大小。图中2、3两脚，即V,5,、V,6,两管发射极上所跨接电阻 R,Y,，,除可调整乘法器增益外，其主要作用是用来产生负反馈，以扩大输入电压 u,Y,线性动态范围。该乘法器输出电压 u,O,表示式为,(6.1.6),其增益系数为,K=Rc/R,Y,U,T,(6.1.7),式(6.1.6)中 u,X,必须为小信号，其值应小于U,T,(26mV)；,因电路采取了负反馈电阻R,Y,，u,Y,线性动态范围被扩大了，它线性动态范围为,第11页,(6,.,1,.,8),也就是说，u,Y,最大线性动态范围决定于电流源 I,O,/2,与负反馈电阻 R,y,乘积。,对 u,X,也能够采取线性动态范围扩展电路，使之线性动态范围大于U,T,，MC1595,集成模拟乘法器就属于这种类型。其内部电路由两部分组成：一部分为双差分对模拟乘法器，与MC1496电路相同；另一部分为 u,X,线性动态范围扩展电路。MC1595外接电路 R,5,及外形图如图6.1.4所表示。4、8脚为u,X,输入端，9、12脚为u,Y,输入端，2、14 脚为输出端，其输出电压u,O,表示式为,(6.1.9),第12页,图,6.1.4 MC1595,外接电路及外形图,第13页,其增益系数,(6.1.10),经过调整I,O,大小(由微调R,3,阻值实现)能够改变增益系数，MC1595增益系数经典值为0.1V,-1,。R,X,、R,Y,为负反馈电阻，用以扩大u,X,、u,Y,线性动态范围，u,X,、u,Y,线性动态范围分别为,(6.1.11),第14页,复习思索题,6.1.1,理想模拟乘法器有哪些特点?,6.1.2,说明变跨导模拟乘法器工作原理和双差分对模拟乘法器组成特点。,第15页,6.2,集成模拟乘法器应用电路,6.2.1,基本运算电路,利用单片集成模拟乘法器与集成运放相配合。可组成平方、除法、平方根等运算电路。,一、平方运算,将模拟乘法器两个输入端输入相同信号，如图 6.2.1 所表示，就组成了平方运算电路，此时电路输出电压等于,(6.2.1),第16页,图,6.2.1,平方运算电路,第17页,二、除法运算,除法运算电路如图6.2.2所表示。它由集成运放和模拟乘法器组成。由模拟乘法器可得,(6.2.2),依据理想运放虚短和虚断概念，可得,即,(6.2.3),将式(6.2.3)代入式(6.2.2)，则可得到输出电压 u,O,为,(6.2.4),式(6.2.4)表明，输出电压u,O,与两个输入电压 u,1,、u,2,之商成百分比。实现了除法运算。应该指出，图6.2.2 中只有当u,2,为正极性时，才能确保运算放大器处于负反馈工作状态，而u,1,可正可负。当u,2,为负极性时，可在反馈电路中引人一反相电路。,第18页,图6.2.2 除法运算电路,第19页,三、平方根运算,图6.2.3所表示为平方根运算电路，由图可知，u,O,=-u,I,，,而u,O,=ku,O,2,，,所以可得,(6.2.5),由式(6.2.5)可见，u,O,是-u,I,平方根，所以输入电压必须为负值，才有可能实现平方根运算。,四、压控增益,考虑到模拟乘法器输出电压u,O,=ku,X,u,Y,，,设u,X,为一直流控制电压U,XQ,，u,Y,为输入电压，如图6.2.4所表示，则有,(6.2.6),改变直流电压U,XQ,大小，就能够调整电路增益。,第20页,图6.2.3 平方根运算电路,第21页,图6.2.4 压控增益电路,第22页,6.2.2,倍频、混频与鉴相,一、倍频电路,当图6.2.1所表示平方运算电路输入相同余弦波信号u,I,=u,X,=u,Y,=U,im,cost,时，则由式(6.2.1)可得,(6.2.7),可见，这时乘法器输出电压中含有直流成份 和输入信号二次谐波成份 ,所以，只要在图6.2.1输出端接一隔直电容，便可得到二次谐波输出，即实现了二倍频功效。,第23页,二、混频电路,若在图6.1.1所表示模拟乘法器中，u,X,、u,Y,均为余弦信号，如令u,X,=U,xm,sin,x,t,u,X,=U,ym,cos,y,t,则模拟乘法器输出电压u,0,等于,(6.2.8),可见,模拟乘法器输出为两个输入信号和频(,x,+,y,),及差频(,x,-,y,),信号，若用滤波器取出和频(或差频)信号输出，就称为混频。,第24页,三、鉴相电路,鉴相电路用来比较两个输入信号之间相位差，即它输出电压与两输入信号之间相位差成正比。用模拟乘法器组成鉴相电路如图6.2.5(a)所表示，令输入电压u,X,、u,Y,分别为,(6.2.9),式(6.2.9)中u,X,、u,Y,除了有相位差 外，还有固定相位差,/2。,由此，可得到乘法器输出电压u,O,为,(6.2.10),第25页,图 6.2.5 模拟乘法鉴相功效,(a),鉴相原理框图(b)正弦鉴相特征(c)三角形鉴相特征,第26页,经过低通滤波器滤除高频分量，则可得,(6.2.11),式中，A,F,为低通滤波器通带电压传输系数。,式(6.2.11)说明，保持U,xm,、U,ym,不变,乘法器输出电压与两个输入信号相位差正弦成正比。作出u,O,与关系曲线如图6.2.5(b)所表示，该曲线称为鉴相特征曲线。当|0.5rad(约30)时，sin,，,鉴相特征靠近于线性。,假如乘法器输入信号u,X,、u,Y,均为大信号，经分析可得图6.2.5(c)所表示三角形鉴相特征，其线性鉴相范围可达,/2。,第27页,6.2.3,调幅与解调,一、信息传输基本概念,信号能够用来传输信息，信息可用语言、文字、图像等来表示，也可用人们事先要求好编码来表示。但在很多情况下，这些表示信息语言、文字、图像、编码等不便于直接传输。所以，在近代科学技术中，惯用电信号来传送各种信息，即利用一个变换装置把各种信息转换为随时间作对应改变电压或电流进行传输，这种随信息作对应改变电压或电流就是电信号。图6.2.6所表示为一远距离信息传输系统组成框图，图中输入变换器主要将输入信息变换成低频电信号。发送设备将这些低频电信号进行某种处理，并以足够功率送入信道，以实现信号远距离传输，这种处理称为调制。发送设备输出信号为高频已调信号。,信道是信号传输通道，又称传输媒介，不一样信道,第28页,图6.2.6 信息传输系统,输出,变换器,输入,变换器,发送,设备,信道,接收,设备,输入信息,输出信息,低频,电信号,已调,信号,已调,信号,低频,电信号,第29页,有不一样传输特征。利用导线(电线、电缆、光导纤维)来传输电信号称为有线传输系统，利用空间电磁波来传递信号称无线传输系统。,接收设备和输出变换器与发送设备和输入变换器作用相反，由信道传输过来高频已调信号，由接收设备取出并进行处理，恢复为与发送端相对应低频电信号，这一过程称为解调。复原后低频电信号，经输出变换器即可变成原来形式信息，被接收者所接收。,因为低频电信号不能实现远距离传输，将低频信号调制在高频信号上，就能够到达电信号有效传输。同时使用不一样频率高频信号，还可防止各种信号之间干扰，实现多路复用。用待传输低频信号去改变高频信号幅度，称为幅度调制，简称调幅，用 AM 表示。如用低频信号去改变高频信号频率，则称为频率调制，简称调频，用 FM 表示：如用低频信号去改变高频信号相位，则称为相位调制，简称调相，用 PM 表示。经过调制后高频,第30页,信号称已调信号，而未被调 制高频信号是运载信息工具，称为载波信号。,二、调幅原理,设低频信号u,和高频载波信号分别为,u,=U,m,cost=U,m,cos2,Ft (6.2.12),u,c,=U,cm,cos,c,t=U,cm,cos2,f,c,t,(6.2.13),式中，F为低频频率，f,c,为高频载波频率。为了简化分析，设二者波形初相角均为零，其波形如图 6.2.7(a)、(b)所表示。将u,c,和u,分别输入模拟乘法器X和Y输入端，如图6.2.8所表示，图中，U,YQ,为一固定直流电压，要求U,YQ,U,m,。,由此可得输入端总输入电压为,u,Y,=U,YQ,+U,m,cost,所以，模拟乘法器输出电压u,O,为,第31页,图6.2.7 单频调制时调幅波波形,(a),低频信号(b)高频信号(c)巳调波,第32页,图6.2.8 调幅原理电路,第33页,(6.2.14),式中，m,a,=,称为调幅系数，它表示载波受低频信号控制程度。令,(6.2.15),则式,(6.2.14),可写成,u,o,=U,m,(t)cos,c,t (6.2.16),第34页,由式(6.2.16)可见，模拟乘法器输出电压是一个幅度U,m,(t),随低频信号而改变高频信号，其波形如图6.2.7(c)所表示。称它为普通调幅波(简称 AM 波)。将式(6.2.16)展开，并应用三角函数关系，则得,(6.2.17),第35页,由式(6.2.17)可知，被单频信号调幅后高频已调波，由幅度为U,cm,、,角频率为,c,载频和两个幅度一样、角频率分别为(,c,+,)、(,c,-,),边频所组成，其频谱分布如图6.2.9所表示，(f,c,+F),称上边频、(f,c,-F),称下边频，它们对称地排列在载频两侧，相对于载频位置仅取决于调制信号频率。显然，载波分量并不包含信息，调制信号信息只包含在上、下边频分量内，边频幅度反应了调制信号幅度大小，边频频率虽属于高频范围，但反应了调制信号频率高低。,因为载波本身并不包含信息，所以为了提升设备功率利用率，能够不传送载波而只传送两个边带信号，这种调制方式称为抑制载波双边带调幅，简称双边带调幅，用DSB表示。将u,c,和u,分别输入模拟乘法器X和Y输入端，如图6.2.10所表示。由此能够得到输出电压u,o,为,第36页,图6.2.9 调幅波频谱,第37页,图6.2.10 双边带调幅,第38页,(6.2.18),由式(6.2.18)可见，KU,m,U,cm,cost,是双边带调幅高频信号幅度,它与调制信号U,m,cost,成正比。图6.2.10中带通滤波器调谐在载波频率上，用以滤除无用频率分量。,因为上、下边频带中任何一个边频带已经包含调制信号全部信息，所以为了节约占有频带、提升波段利用率，也能够只传送两个边带信号中任何一个，称为抑制载波单边带调幅，简称单边带调幅，用SSB表示。将双边带调幅信号抑制掉一个边频带，就能够得到单边带调幅信号，即,第39页,(6.2.19),从式(6.2.19)能够看出，单频调制单边带信号仍是等幅波，但它与原载波不间，SSB信号幅度与调制信号幅度U,m,成正比，它频率随调制信号频率不一样而不一样。,三、解调,调幅波解调又称幅度检波，简称检波，它是调幅反过程。检波方式有各种，采取模拟乘法器很轻易实现调幅波解调，图6.2.11所表示为调幅波解调原理图，图中，u,r,=U,rm,cos,r,t,为同时信号，要求,r,=,c,；,低通滤波器用以滤除检波后各高频分量。,第40页,图6.2.11 同时检波电路框图,X,K,Y,u,r,u,i,u,O,低通滤波器,u,第41页,若需要解调调幅信号 u,i,=U,im,cos,c,tcost,为一双边带调幅信号，由此可得输出电压u,o,为,显然，上式中 项是解调所需要原调制信号，而cos2,c,t,项是高频分量，可用,低通滤波器将它滤除。,一样，若输入信号是单边带调幅信号，即u,i,=U,im,cos(,c,+)t，,则乘法器输出电压u,o,为,第42页,经低通滤波器滤除高频分量,即可取得低频信号输出。,复习思索题,6.2.1,说明用模拟乘法器组成倍频、混频电路工作原理。,6.2.2,鉴相电路有何功效?怎样用模拟乘法器组成鉴相电路?,6.2.3,何谓调制?调制有何作用?试说明用模拟乘法器组成调幅电路工作原理。,第43页,6.3,模拟乘法器调幅与解调电路调整与测试,本节经过应用单片集成模拟乘法器MC1496组成调幅和解调电路调试，深入掌握模拟乘法器工作原理，加深对调幅与解调基本原理了解。,6.3.1 MC1496,模拟乘法器调幅与解调电路,一、调幅电路,用MC1496组成双边带调幅实用电路如图6.3.1所表示。图中，接于电源电路电阻R,8,、R,9,用来分压，方便提供模拟乘法器内部V,1,V,4,管基极偏置电压，接在5脚电阻 R,5,用来控制恒流电路电流值I,O,/2。,接在2、3脚电阻 R,Y,用来扩大u,线性动态范围，同时控制乘法器增益。接于1、4脚电阻R,1,、R,p,、R,2,作为载波调零电阻。,第44页,图6.3.1 MC1496 型模拟乘法器双边带调幅电路,第45页,依据图6.3.1中负电源电压值及 R,5,阻值，可得I,O,/21mA,这么不难得到模拟乘法器各管脚直流电位分别为,U,1,=U,4,0V，,U,2,=U,3,0.7V，,U,8,U,10,=6V,U,6,=U,12,=V,CC,-R,C,I,O,/2=8.1V，,U,5,=-R,5,I,O,/2=-6.8V,实际应用中，为了确保集成模拟乘法器MC1496能正常工作，各引脚直流电位应满足以下要求：,(1),U,1,=U,4,，,U,8,=U,10,，,U,6,=U,12,；,(2)U,6、12,-U,8、10,2V，U,8、10,-U,1、4,2.7V，U,1、4,-U,5,2.7V。,载波信号 u,c,经过电容C,1,、C,3,及R,7,加到乘法器输入端8、10脚，低频信号u,经过 C,2,、R,4,、R,6,加到乘法器输入端 1、4 脚，输出信号可由 C,4,和 C,5,单端或双端输出。调试过程中，因为示波器、毫伏表等测量仪器均为单端式，,第46页,所以测量输出电压只能取单端输出，两边输出电压应相等。这时调幅输出波形如图6.3.2(c)所表示，应为一双边带调幅波形。,为了减小载波信号输出，可先令u,=0，,即将u,输入端对地短路，只有载波u,c,输入时,调整 R,p,使乘法器输出电压为零。但实际模拟乘法器不可能完全对称,所以调整 R,p,，,输出电压不可能为零，故只需使输出载波信号为最小(普通为 mV 级)就行。若载波输出电压过大，则说明该器件性能不好。,低频输入信号u,幅度不能过大，其最大值由I,O,/2,与 R,Y,乘积所限定，图6.3.1所表示电路u,幅度必须小于1V。若低频幅度超出该值，输出调幅波形将会产生严重失真。,第47页,图6.3.2 双边带调幅波波形,第48页,载波输入信号 u,c,幅度要求小于26mV,这种情况常称为小信号状态，输出电压大小可用式(6.1.6)来估算。在工程上，载波信号常采取大信号输入(U,cm,260mV)，,这时双差分对管在u,c,作用下，工作在开关状态，称为开关调幅。这时调幅电路输出幅度比较大，且幅度不受U,cm,影响。,二、解调电路,用 MC1496 模拟乘法器组成同时检波电路如图 6.3.3 所表示。Y 输入端输入调幅信号，其最大值受 I,O,/2,与 R,Y,乘积所限制。X 端输入与调幅波载波信号同频同相高频同步信号u,r,其值普通较大，即要求U,rm,260mV，,使模拟乘法器工作在大信号状态，这么输出端就能够取得较大低频信号输出。输出端由 RC 组成低通滤波器，用以滤除输出中高频分量。,因为电路采取了单电源+V,CC,供电，所以偏置电阻 R,5,直接接到+V,CC,，,方便为 MC1496 乘法器内部管子提供适当静态偏置。,第49页,图6.3.3 解调电路,第50页,6.3.2,技能训练项目,一、模拟乘法器调幅电路调整测试,(,一)目标,1.,熟悉调幅基本原理。,2.,熟悉模拟乘法器工作特点及使用方法。,3.,学习模拟乘法器调幅电路调整与测试方法。,(,二)仪器与材料,1.,仪器:双路直流稳压电源、双踪示波器、高频信号发生器、低频信号发生器、万用表各1台。,2.,元器件:集成模拟乘法器 MC1496 一只，电阻、电容若干(见电路图6.3.1)。,(,三)内容及要求,第51页,1.,复习相关课文，分析图 6.3.1 所表示电路工作原理及各元件作用。,2.,检测各元器件，然后按图 6.3.1 所表示电路进行组装。,3.,电路组装完成并经检验没有错误后，接通直流电源(注意:电源极性不能接错)，然后用万用表测量各引脚直流电位，应符合要求，不然应切断直流电源，进行检验。统计测量结果。,4.,在 X 端加入高频载波信号u,c,，,幅度小于26mV,频率取50kHz；Y 端令 u,=0，,调整R,p,使u,O,为最小，然后接人频率3 kHz u,并逐步加大它幅度，此时用示波器在输出端(6脚或12脚)即可观察到如图6.3.2所表示双边带调幅波形，画出波形、测出幅度，并统计。,5.,维持u,不变，增大u,c,幅度，观察输出调幅波形改变，当U,cm,260mV,后，记下调幅波波形改变及特点(若输出波形严重失真，则应降低u,幅度)。,第52页,6.,维持u,及u,c,为小信号，调整平衡电阻R,p,，,使输出调幅信号变为图6.2.7(c)所表示普通调幅波波形，画出调幅波形，测出幅度并统计。,(四)调整测试汇报,1.,训练目标、测试电路及内容。,2.,整理静态工作电压测试数据，并进行分析。,3.,画出双边带调幅波波形，并核实幅度。,4.,画出普通调幅波波形，求出调幅系数 m,a,数值,(),第53页,二、模拟乘法器调幅波解调电路调整测试,(,一)目标,1.,熟悉调幅波解调基本原理。,2.,学习模拟乘法器解调电路调整与测试方法。,(,二)仪器与材料,1.,仪器:直流稳压电源、双踪示波器、高频信号发生器、低频信号发生器、万用表各 1 台。,2.,元器件:MC1496 一只，电阻、电容若干(见图 6.3.3),(,三)内容及要求,1.,复习相关课文，分析图6.3.3所表示电路工作原理及各元件作用，估算各引脚直流电位大小。,2.,检测各元器件，然后按图 6.3.3 组装电路。,第54页,3.,电路组装完成，经检验没有错误后，接通直流电源，用万用表测量各引脚直流电位，应符合要求，不然应切断直流电源，进行检验。,4.,将技能训练一中输出双边带调幅波作为解调电路输入信号 u,i,加到 Y 输入端，将载波信号u,c,作为同时信号 u,r,加到 X 输入端,用示波器观察 u,i,、u,r,及输出电压 u,并与原调制信号进行比较。,(,四)调整测试汇报,1.,训练目标、测试电路及内容,2.,整理测试数据，画出测试波形并分析。,第55页,本章小结,1.,集成模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功效器件它是另一类使用很广泛模拟集成电路，但它属于非线性模拟集成电路。,对于理想乘法器，其输出电压与在同一时刻两个输入电压瞬时值乘积成正比，而且输入电压波形、幅度、极性和频率能够是任意。,差分放大电路不但含有放大作用，还含有乘法功效，所以它成为变跨导单片集成模拟乘法器基本单元电路。,2.利用集成模拟乘法器能够组成乘法、平方、除法、平方根等运算电路，,也可组成压控增益、倍频、混频、鉴相等电路。,混频电路能取得两个输入信号和频及,第56页,差频信号输出，集成模拟乘法器混频电路含有良好特征而被广泛采取。,3.,调制是实现电信号有效传输主要伎俩。用待传输低频信号去改变高频信号幅度、频率和相位，分别称为调幅、调频和调相。经过调制后高频信号称为已调波，而未被调制高频信号称为载波信号。只取一个边带调幅称为单边带调幅。,调幅波解调又称幅度检波，它是调幅反过程，经过解调可取得原调制信号。,采取集成模拟乘法器能够组成性能优良调幅与解调电路。,第57页,