集成电路模拟乘法器的应用.docx
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集成电路模拟乘法器的应用.docx
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集成电路模拟乘法器的应用
郑州轻工业学院
课程设计任务书
题目集成电路模拟乘法器的应用
专业、班级学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
一.主要内容
用集成模拟乘法器MC1496设计调幅器和同步检波器
二.基本要求
1:
电源电压12v集成模拟乘法器MC1496
载波频率fc=5MHZ调制信号频率fΩ=1KHZ
2:
完成课程设计说明书,说明书应含有课程设计任务书,设计原理说明,设计原理图,要求字迹工整,叙述清楚,图纸齐备。
3:
设计时间为一周。
三.主要参考资料
1:
李银华电子线路设计指导北京航天航空大学出版社2005.6
2:
谢自美电子线路设计·实验·测试华中科技大学出版社2003.10
3:
张肃文高频电子线路高等教育出版社2004.11
完成期限:
2010.6.21-2010.6.27
指导教师签名:
课程负责人签名:
2010年6月20日
第一章构思提出.....................................................................................1
第二章集成模拟乘法器MC1496……………………………………2
2.1模拟乘法器的基本特性…………………………………3
2.2模拟乘法器的基本工作原理……………………………3
2.3集成模拟乘法器MC1496的内部电路图………………4
第三章利用集成模拟乘法器MC1496设计调幅器……………6
3.1调幅波的基本原理……………………………………6
3.2用乘法器实现调幅……………………………………7
3.3电路的参数计算和性能分析……………………………8
3.4双边带调幅和单边带调幅……………………………10
第四章利用集成模拟乘法器MC1496设计检波器………………11
4.1解调原理………………………………………………11
4.2检波器的工作原理……………………………………12
附系统的应用……………………………………………………14
心得体会………………………………………………………………15
第一章构思方案
根据乘法运算的代数性质,乘法器有四个工作区域,由它的两个输入电压的极性来确定,并可用X-Y平面中的四个象限表示(如图一)。
能够适应两个输入电压四种极性组合的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种极性,则称为二象限乘法器;若对两个输入电压都只能适应一种极性,则称为单象限乘法器。
图一乘法器的工作象限
第二章集成模拟乘法器MC1496
2.1模拟乘法器的基本特性
模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件,理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比,而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。
其符号如下图所示,K为乘法器的增益系数。
理想乘法器—对输入电压没有限制, ux=0或uy=0时,uO=0,输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。
实际乘法器—ux=0,uy=0时,uO0,此时的输出电压称为输出输出失调电压。
ux=0,uy0(或uy=0,ux0)时,uO0,这是由于uy(ux)信号直接流通到输出端而形成的,此时 的输出电压为uy(ux)的输出馈通电压。
2.2模拟乘法器的基本原理
变跨导模拟乘法器的基本工作原理电路如下图所示。
在室温下,K为常数,由表达式可知uO与输入电压uy、ux的乘积成正比,正是由于两个输入电压uy、ux的乘积项的存在,所以差分放大电路具有乘法功能,具有像非线性阻抗那样能产生新的频率分量的频率变换作用。
此电路uy必须为正才能正常工作。
2.3集成模拟乘法器MC1496的内部电路图
上图所示是MC1496的内部电路,它是一个双平衡四象限的集成模拟乘法器。
由图可知,该乘法器是属于并联交叉耦合可变互导型,由T1和T2两个晶体管组成一对差分放大器,T5是它的恒流;又有T3和T4两
个晶体管组成第二对差分放大器,T6是它的恒流源。
T1和T3的集电极连在一起,T2和T4的集电极连在一起,T2的基极和T3的基极相连,T1和T4的基极相连。
其中脚8和脚10为Ux输入端,脚4和脚1为Uy输入端,脚6和脚12为差动输出端。
D7、
T8、T9组成具有负反馈电阻的恒流源,R1、R2、R3为负反馈电阻,它们的作用是展宽动态范围。
脚2和脚3之间接入反馈电阻Ry,对差分放大器T5、T6产生电流负反馈,可调节乘法器的信号增益,扩展电压Uy的线性动态范围。
脚5接偏置电阻R5,用来调节偏置电流和镜像电流的值。
对于静态偏置电流,主要由恒流源的值来确定。
当器件为单电源供电时,引脚14接地,5脚通过一个电阻接正电源,改变此电阻可以调节恒流源的大小;当器件为双电源供电时,引脚14接负电源,5脚通过R5接地,改变R5同样可以调节恒流源的大小。
第三章利用集成模拟乘法器MC1496设计调幅器
3.1调幅波的基本原理
所谓调制,就是在传送信号的一方(发送端)将所要传送的信
号(它的频率一般是较低的)“附加”在高频振荡器上,再由天线发射出去。
而调幅(AM)就是将要发送的信号去改变载波(高频振荡波)的振幅,使载波的振幅随被调信号的变化而线性变化;用低频信号去改变高频信号的幅度,称为调幅。
经调幅后的高频信号称调幅信号,把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号,它是运载低频信号的工具
3.2采用乘法器实现调幅
采用模拟乘法器构成的调幅电路如下图所示。
调幅系数表示载波受低频信号控制的程度,为了不产生调幅失真,要求UYQ≧UΩm。
幅度调制就是载波的振幅调制信号控制周期的变化,由MC1496构成调幅器,它将高频正弦波信号为载波信号输入到Ux,并加在两组差动放大器T1、T4对地的输入端8和10两端脚之间;同时将低频正弦波信号作为调制信号加在差动放大器T5、T6输入端1和4两端脚之间,将这两种信号输入后,二者相乘为输出信号的全载波信号。
3.3电路的参数计算和性能分析
设低频信号
和高频载波信号
分别为:
上式中,F为输出信号频率,Fc为载波频率,为简化分析,设两者波形的初相角均为零。
将
和
分别输入模拟乘法器的X和Y输入端,
为一固定的直流电压,要求
。
由此可得输入端总的输入电压为:
因此,模拟乘法器的输出电压
式中Ma为调幅系数,已知调幅系数为0.5,
又因为要求对输出波形放大10倍,所以K我们取10,所以
集成模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件它是另一类使用很广泛的模拟集成电路,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的两个输入电压瞬时值的乘积成正比,而且输入电压波形、幅度、极性和频率可以是任意的。
差分放大电路不仅具有放大作用,还具有乘法功能,所以它成为变跨导单片集成模拟乘法器的基本单元电路。
利用集成模拟乘法器可以构成乘法、平方、除法、平方根等运算电路,也可构成压控增益、倍频、混频、鉴相等电路。
混频电路能获得两个输入信号的和频及差频信号输出,集成模拟乘法器混频电路具有良好的特性而被广泛采用。
调制是实现电信号有效传输的重要手段。
用待传输的低频信号去改变高频信号的幅度、频率和相位,分别称为调幅、调频和调相。
经过调制后的高频信号称为已调波,而未被调制的高频信号称为载波信号。
只取一个边带的调幅称为单边带调幅。
调幅波的解调又称幅度检波,它是调幅的反过程,通过解调可获得原调制信号。
采用集成模拟乘法器可以构成性能优良的调幅与解调电路。
3.4双边带调幅和单边带调幅
由于载波本身不包含信息,为了提高设备的功率利用率,可以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,简称双边调幅,用DSB表示。
由于上、下边频带中的任何一个边频带以及功能包含调制信号的全部信息,因此为了节省占有的频带、提高波段利用率,可以只传送两个边带信号中的任何一个,称为抑制载波单边带调幅,简称单边调幅,用SSB表示
第四章利用集成模拟乘法器MC1496设计检波器
4.1解调原理
振幅调制信号的解调过程称为检波。
常用方法有包络检波和同步检波两种。
由于有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律,可以用二极管包络检波的方法进行解调。
而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律,所以无法用包络检波进行解调,必须采用同步检波方法。
利用一个和调幅信号的载波同频同相的载波信号与调幅波相乘,再通过滤波器滤除高频分量而获得调制信号。
如图四所示。
采用MC1496集成电路构成解调器,载波信号UC经过电容C1加在脚⑧、⑩之间,调幅信号UAM经电容C2加在①、④脚之间,相乘后信号由⑿脚输出,经R6、C5组成的低通滤波器,在解调输出端OUT,即可得调制信号。
4.2检波器的工作原理
同步检波又分为叠加型同步检波和乘积型同步检波。
利用模拟乘法器的相乘原理,实现同步检波是很方便的,其工作原理如下:
在乘法器的一个输入端输入振幅调制信号如抑制载波的双边带信号
,另一输入端输入同步信号(即载波信号)
,经乘法器相乘,由式可得输出信号
为:
上式中,第一项是所需要的低频调制信号分量,第二项为高频分量,也可以被低通滤波器滤掉。
如果输入信号Us(t)为有载波振幅调制信号,同步信号为载波信号
利用乘法器的相乘原理,同样也能实现解调。
设
则输出电压
为:
(条件:
为大信号)
上式中,第一项为直流分量,第二项是所需要的低频调制信号分量,后面三项为高频分量,利用隔直电容及低通滤波器可滤掉直流分量及高频分量,从而实现了有载波振幅调制信号的解调。
其中ux端输入同步信号或载波信号UC,Uy端输入已调波信号US。
输出端接有由R11与C6、C7组成的低通滤波器及隔直电容C8,所以该电路对有载波调幅信号及抑制载波的调幅信号均可实现解调。
电路的解调操作过程如下:
首先测量电路的静态工作点C应与电路的静态工作点基本相同,再从Ux端输入载波信号UC,其fC=20.945MHz,UCP-P=100mV。
先令Uy=0,调节平衡电位器RP,使输出U0=0,即为平衡状态.再从Uy端输入有载波的调制信号US,其fC=20.945MHz,,fn=1kHz,USP-P=200mV,调制度m=100%,这时乘法器的输出U0(t)经低通滤波器后的输出U0(t),经隔直电容C8后的输出UΩ(t)的波形分别如图(a)所示。
调节电位器RP可使输出波形U0(t)的幅度增大,波形失真减小。
若US为抑制载波的调制信号,经MC1496同步检波后的输出波形Un(t)如图b所示。
(a)有载波信号解调(b)抑制载波信号的解调
图五解调器输出波形
附
随着电子技术的发展,集成模拟乘法器应用也越来越广泛,它不仅应用于模拟量的运算,还广泛应用于通信、测量仪表、自动控制等科学技术领域。
用集成模拟乘法器可以构成性能优良的调幅和检波电路,其电路元件参数通常采用器件典型应用参数值。
作调幅时,高频信号加到输入端,低频信号加到Y输入端;作解调时,同步信号加到X输入端,已调信号加到Y输入端。
调试时,首先检查器件各管脚直流电位应符合要求,其次调节调零电路,使电路达到平衡。
集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的器件,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,是一种通用性很强的非线性电子器件,目前已有多种形式、多品种的单片集成电路,同时它也是现代一些专用模拟集成系统中的重要单元。
作调幅时,高频信号加到输入端,低频信号加到Y输入端;作检波时,同步信号加到X输入端,已调信号加到Y输入端。
调试时,首先检查器件各管脚直流电位应符合要求,其次调节调零电路,使电路达到平衡。
还需注意:
(1)Y端输入信号幅度不应超过允许的线性范围,其大小与反馈电阻RY有关,否则输出波形会产生严重失真;
(2)X端输入信号可采用小信号(小于26mV)或者大信号(大于260mV),采用大信号可获得较大的调幅或解凋信号输出。
信息传输系统中,检波是用以实现电信号远距离传输及信道复用的重要手段。
由于低频信号不能实现远距离传输,若将它装载在高频信号上,就可以进行远距离传输,当使用不同频率的高频信号,可以避免各种信号之间的干扰,实现多路复用。
心得体会
课程设计历时一个星期多左右,通过这一个星期的学习,发现了自己的很多不足,自己知识的很多漏洞,理论知识还不够扎实。
刚开始的时候,按照老师给的任务书,去找了资料,后来又积极的查询了相关资料,自己就动手开始一星期的设计。
在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面,导致出现很多问题,如:
在选择计算标准件的时候可能会出现误差,如果是联系紧密或者循序渐进的计算误差会更大,在查表和计算上精度不够准确;其次:
在确定设计方案时就被“卡住了”,拖了好久,同学在这方面的知识比较缺乏,幸好得到了老师的指点,寻求了一些资料,找到了方法,把问题解决了;再次,在检波器的设计方面也比较薄弱,检波器的选择等方面都遇到了困难,在同学的帮助下逐步解决了。
这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。
在这个过程中,我也曾经因为无从下手,对设计问题的迷茫而失落过,也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。
生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
虽然这只是一次的极简单的课程设计,可是平心而论,也耗费了我不少的心血,这就让我不得不佩服技术编书方面前辈,让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。
在整个课程设计的过程中,我发现在经验方面十分缺乏,空有理论知识,没有理性的知识;有些东西可能与实际脱节。
总体来说,我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的,它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来,从中暴露出自身的不足,以待改进。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
最后,我要感谢我的高频老师,谢谢老师这一学期来对我的教导。
参考文献:
1、李银华电子线路设计指导北京航天航空大学出版社2005.6
2、谢自美电子线路设计·实验·测试华中科技大学出版社2003.10
3、张肃文高频电子线路高等教育出版社2004.11
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- 集成电路 模拟 乘法器 应用
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