你應(yīng)該了解的四種有趣的AM調(diào)制電路

本文介紹了幾種用于幅度調(diào)制的電路，包括僅用一個(gè)二極管構(gòu)建的開關(guān)調(diào)制器和一個(gè)結(jié)合了C類功率放大器的電路。

實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制（AM）的方法有很多。到目前為止，本系列文章已經(jīng)討論了其中的四種：

- 平方律調(diào)制器

- 平衡調(diào)制器

- 二極管橋調(diào)制器

- 環(huán)形調(diào)制器

在本文中，我們將探討另外四種調(diào)制電路。我們將從基本的模擬乘法器開始，然后研究另一種環(huán)形調(diào)制器配置和單二極管開關(guān)調(diào)制器。最后，我們將學(xué)習(xí)集電極調(diào)制電路，它有時(shí)也被歸類為開關(guān)調(diào)制器。

差分對(duì)乘法器

本系列之前的文章介紹了兩種AM信號(hào)。第一種稱為雙邊帶抑制載波（DSB-SC）調(diào)制，它簡單地將消息信號(hào)乘以載波。正如“抑制載波”這一名稱所示，載波不會(huì)出現(xiàn)在傳輸頻譜中。公式1顯示了通過這種方法生成的調(diào)制信號(hào)。

公式1

第二種方法有時(shí)稱為常規(guī)AM，它在傳輸頻譜中保留了載波。它通過以下公式生成調(diào)制信號(hào)：

公式2

模擬乘法器可以直接計(jì)算這兩種類型的輸出信號(hào)。然而，本文將主要關(guān)注生成帶有傳輸載波的AM信號(hào)。圖1展示了兩種可能的模擬配置。

圖1 生成常規(guī)AM波的兩種可能配置

圖中的加法操作通過一個(gè)運(yùn)算放大器求和電路實(shí)現(xiàn)（圖2）。

圖2 加法功能可以通過運(yùn)算放大器求和電路實(shí)現(xiàn)

模擬乘法器的實(shí)現(xiàn)則更為復(fù)雜。一種方法是使用如圖3所示的可變跨導(dǎo)乘法器。

圖3 發(fā)射極耦合對(duì)作為簡單的模擬乘法器

在上述電路中，一個(gè)輸入（V1）被施加到差分對(duì)，另一個(gè)輸入（V2）用于控制差分對(duì)的電流。盡管差分對(duì)是一個(gè)非線性電路，但對(duì)于小信號(hào)V1，該電路表現(xiàn)為恒定增益放大器。如果我們假設(shè)V1很小且偏置電流（IEE）固定，輸出電壓可以表示為：

公式3

其中，跨導(dǎo) gm 由下式給出：

公式4

其中，Vt是熱電壓。

通過結(jié)合公式3和公式4，我們得到輸出電壓的新公式：

公式5

這表明輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)的乘積成正比。然而，請(qǐng)注意，該公式僅在V1很小且V2遠(yuǎn)大于基極-發(fā)射極結(jié)的電壓降（約07 V）時(shí)有效。

由于這些限制，上述發(fā)射極耦合對(duì)并未在通信應(yīng)用中使用。然而，它仍然是一個(gè)重要的電路。吉爾伯特單元（Gilbert Cell）是大多數(shù)集成電路乘法器的基礎(chǔ)，它是發(fā)射極耦合對(duì)的改進(jìn)版本。如果你想了解更多關(guān)于吉爾伯特單元的內(nèi)容，我推薦Paul R Gray的《模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)》一書。

雖然我們可以使用模擬乘法器生成AM信號(hào)，但它們通常在低功率水平下工作，并且僅限于相對(duì)較低的頻率。因此，我們通常使用其他技術(shù)（例如基于開關(guān)的電路）來執(zhí)行必要的乘法。

環(huán)形調(diào)制器：另一種實(shí)現(xiàn)方式

環(huán)形調(diào)制器是一種開關(guān)調(diào)制器。在一個(gè)半周期內(nèi)，它將輸入信號(hào)以原始極性傳輸?shù)捷敵龆?。在另一個(gè)半周期內(nèi)，信號(hào)以反極性傳輸。這會(huì)在載波頻率（fc）及其諧波處產(chǎn)生幅度調(diào)制信號(hào)。輸出端加入了一個(gè)調(diào)諧到載波頻率的帶通濾波器，以提取所需的AM波。

正如文章引言所述，我們之前詳細(xì)討論了環(huán)形調(diào)制器。然而，圖4展示了一種與我們之前研究不同的配置。

圖4 實(shí)現(xiàn)雙平衡環(huán)形調(diào)制器的另一種方法。

這兩種電路都實(shí)現(xiàn)了相同的基本概念：將消息信號(hào)乘以在±1之間切換的方波。正如之前關(guān)于環(huán)形調(diào)制器的文章所討論的那樣，這放寬了帶通濾波器的過渡帶要求，并且與二極管橋調(diào)制器相比，輸出信號(hào)的幅度增加了一倍。

為了更好地理解該電路的操作，我們分別考慮載波  ($c\left(t\right)=\cos \left({\omega }_{c}t\right)$)的每個(gè)半周期。

正半周期

在 c(t) 的正半周期內(nèi)，二極管D1和D2正向偏置，二極管D3和D4反向偏置?？紤]到電路的對(duì)稱性，并注意到T1的中心抽頭接地，這意味著節(jié)點(diǎn)A也應(yīng)接地。

顯然，只有當(dāng)以下兩個(gè)條件都成立時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

1 二極管D1和D2以及電阻R1和R2匹配。

2 變壓器的次級(jí)準(zhǔn)確中心抽頭。

在c(t)的正半周期內(nèi)，電路簡化為圖5所示的電路。

圖5 載波正半周期內(nèi)環(huán)形調(diào)制器的簡化圖

應(yīng)用變壓器的點(diǎn)約定，我們觀察到消息信號(hào)以原始極性出現(xiàn)在輸出端。

負(fù)半周期

在載波的負(fù)半周期內(nèi)，二極管D3和D4導(dǎo)通，二極管D1和D2關(guān)閉。在這種情況下，電路的對(duì)稱性迫使節(jié)點(diǎn)B接地，導(dǎo)致電路簡化為圖6所示的電路。

圖6 載波負(fù)半周期內(nèi)環(huán)形調(diào)制器的簡化圖

在這里， m(t)被施加到初級(jí)線圈的非點(diǎn)端。輸出電壓的正極在點(diǎn)端。因此，信號(hào)以反極性到達(dá)輸出端。結(jié)合正半周期（圖5），我們看到圖4中的配置將消息信號(hào)乘以在±1之間切換的方波。

單二極管開關(guān)調(diào)制器

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了另一種環(huán)形調(diào)制器，讓我們討論如何使用單個(gè)二極管生成AM波。圖7顯示了這種開關(guān)調(diào)制器的電路圖。

圖7 單二極管開關(guān)調(diào)制器的電路圖

在這里， m(t)和載波的總和被施加到與電阻串聯(lián)的二極管上。我們假設(shè)載波的幅度Ac遠(yuǎn)大于消息信號(hào)（ Ac ? m(t) ）。在這種條件下，二極管充當(dāng)開關(guān)，在c(t)的負(fù)半周期內(nèi)保持關(guān)閉，在正半周期內(nèi)導(dǎo)通。忽略二極管上的電壓降，我們可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)A的電壓vA表示輸出電壓：

公式6

這相當(dāng)于將vA乘以頻率為fc的方波g(t) 。圖8顯示了g(t) 。

圖8 單二極管開關(guān)調(diào)制器中乘以vA的方波函數(shù)g(t)

函數(shù)g(t)可以展開為余弦函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)：

公式7

節(jié)點(diǎn)A的電壓由下式給出：

公式8

將vA乘以g(t)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在直流、基頻（ fc ）及其諧波處具有頻譜分量的vout 。為了將fc處的頻譜分量與其他分量分離，我們將vout表示為：

公式9

然后，一個(gè)調(diào)諧到fc的帶通濾波器會(huì)抑制上述直流和高頻諧波項(xiàng)。這提供了所需的AM輸出信號(hào)：

公式10

單二極管調(diào)制器：平方律調(diào)制器還是開關(guān)調(diào)制器？

如果你一直在關(guān)注本系列文章，你可能會(huì)注意到圖7中的開關(guān)調(diào)制器與我們之前文章中學(xué)習(xí)的平方律調(diào)制器有相似之處。在我們繼續(xù)討論下一個(gè)電路之前，讓我們花點(diǎn)時(shí)間討論一下這一點(diǎn)。

在平方律調(diào)制器中，消息信號(hào)和載波的總和被施加到非線性器件（如二極管、BJT或FET）上。非線性器件的二階非線性生成一個(gè)交叉乘積項(xiàng)，該交叉乘積項(xiàng)與兩個(gè)函數(shù)的乘積成正比。非線性器件后面跟著一個(gè)帶通濾波器，用于將載波頻率處的AM波與不需要的分量分離。如圖9所示。

圖9 平方律調(diào)制器的框圖

由于可以通過加入二極管來實(shí)現(xiàn)非線性特性，那么圍繞二極管構(gòu)建的平方律調(diào)制器與圖7所示的開關(guān)調(diào)制器之間有什么區(qū)別呢？答案在于它們各自的工作原理。

平方律調(diào)制器依賴于器件的非線性特性。如果我們用以下公式表示非線性器件的輸入-輸出特性：

公式11

那么平方律調(diào)制器生成的AM信號(hào)為：

公式12

在上述公式中，輸出信號(hào)取決于器件輸入-輸出特性的線性和二階系數(shù)（ ?1和 ?2）。然而，圖7中的電路并不依賴于二極管的非線性。如公式6所示，即使二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下表現(xiàn)出完全線性的特性，該電路也可以生成AM波。

集電極調(diào)制器

我們將討論的最后一種配置是圖10中的集電極調(diào)制電路。這種AM調(diào)制器通常用于高功率發(fā)射機(jī)，例如廣播應(yīng)用。

圖10 集電極調(diào)制電路的簡化示意圖

在集電極調(diào)制器中，消息信號(hào)被放置在驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)的C類RF放大器的電源電壓串聯(lián)路徑中。正的消息信號(hào)會(huì)導(dǎo)致放大器接收到更高的集電極電壓，從而產(chǎn)生更大的輸出信號(hào)。相反，負(fù)的消息信號(hào)會(huì)導(dǎo)致較低的集電極電壓和較小的放大器輸出。

輸出經(jīng)過帶通濾波以消除由晶體管的非線性操作產(chǎn)生的諧波。晶體管充當(dāng)以載波頻率驅(qū)動(dòng)的開關(guān)。

總結(jié)

我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了如何使用各種調(diào)制器電路實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。每種電路都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，模擬乘法器的優(yōu)點(diǎn)是簡單。然而，構(gòu)建具有大動(dòng)態(tài)范圍的模擬乘法器要復(fù)雜得多，尤其是在高頻下。環(huán)形調(diào)制器通常與低功率調(diào)制相關(guān)，而集電極調(diào)制電路更容易應(yīng)用于高功率發(fā)射機(jī)。