集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)研究

魏博謇

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系， 陜西 榆林 719000)

0 引言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟與科技迅速發(fā)展，漸漸地以網(wǎng)絡(luò)取代書信的方式進行溝通與交流，給人們帶來了極大的方便，不需要快馬加鞭，一通電話即可解決問題。近年來，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，傳送信息的信號出現(xiàn)了問題，傳送信息過程中只有輸送高頻信號才可以輸送成功，而電路通常發(fā)出的信號為低頻信號，為了解決該問題，研究中加入振幅調(diào)制電路可有效緩解，故通過該系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程來設(shè)計電路。

1 調(diào)幅電路理論知識

1.1 調(diào)幅電路的基本概念

調(diào)幅電路也就是人們通常講的中波，它的范圍通常在530-1 600 kHz之間上下浮動，浮動的范圍不超過這個區(qū)間。調(diào)幅實際上是一種電信號，將聲音的高低變化變化為幅度，通常它傳輸?shù)木嚯x可以達到很遠，但是極易受天氣因素的影響而造成傳輸距離出現(xiàn)改變，目前調(diào)幅電路應(yīng)用于簡單的通信設(shè)備當中[1]。

2 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路基本原理

2.1 模擬乘法器的原理

模擬乘法器的原理指的是對兩個模擬信號(電壓或電流)實現(xiàn)相乘功能的有緣非線性器件。它實際上是指兩個本來毫無關(guān)系的信號通過模擬乘法器進行相乘運算，也就是輸出信號與輸入信號相乘的積成正比。模擬乘法器有兩個輸入端口，分別是X輸入端口以及Y輸入端口。模擬乘法器特有的兩個輸入信號的極性各有各的不同，模擬乘法器坐標平面利用的是X軸與Y軸，將平面直角坐標系分為四個象限，其中，當信號僅靠某個極性電壓才可以進行工作時，那么該模擬乘法器成為單象限乘法器；若信號中的一個可以使用兩種電壓，兩種電壓分別為正電壓以及負電壓，而信號當中的另一個僅可以工作于一種電壓，那么該模擬乘法器稱為二象限乘法器；兩個信號均可以適應(yīng)四種極性組合時，該模擬乘法器成為四象限乘法器[2]。

通過電路原理表達式對模擬乘法器進行了一系列測試。模擬乘法器及測試電路,如圖1所示。

圖1 模擬乘法器及測試電路圖

2.2 乘法器調(diào)幅電路的模擬與實現(xiàn)

通過圖1的一系列測試之后，將電路的正負電壓設(shè)置為12 V，向其中輸入正弦信號，輸入X軸的電壓頻率為500 kHz、幅值為3 V；Y軸電壓頻率為20 kHz，幅值為0.1 V。經(jīng)過PSPICE電路模擬電路得出的模擬結(jié)果,如圖2所示。

圖2 PSPICE模擬結(jié)果

3 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路架構(gòu)分析

3.1 調(diào)幅電路的構(gòu)成及說明

該調(diào)幅電路采用的是基于集成模擬乘法器的方式構(gòu)建電路，其中集成模擬乘法器的型號為MC1496，構(gòu)建過程中集成模擬乘法器MC1496采用的電路為雙邊帶振幅調(diào)制電路(DSB-AM)，該電路的供電方式采用的是雙電源供電方式，極大程度的減少因供電不足而引發(fā)的一系列問題，也可以在電路中設(shè)置芯片的基極直流電流，以此來保證集成模擬乘法器在運行過程中可以工作于線性動態(tài)范圍，該過程會出現(xiàn)反饋電阻，該電阻在電路中起到提供偏置電壓的作用，線性范圍會隨著反饋電阻的增大而增大，但隨之而來的是集成模擬乘法器的增益減小。為了保證晶體管的放大狀態(tài)，乘法器的各管腳應(yīng)保持在U1=U4,U8=U10,U6=U12的電流狀態(tài)，MC1496構(gòu)成的雙邊帶振幅調(diào)制電路,如圖3所示。

圖3 MC1496構(gòu)成的雙邊帶振幅調(diào)制電路圖

根據(jù)圖3中的電阻元件以及電容元件的數(shù)值，得出了靜態(tài)下偏置電壓的準確數(shù)值。其中偏置電壓的數(shù)值,如圖4所示。

圖4 靜態(tài)偏置電壓的數(shù)值

根據(jù)結(jié)果所示，該電路無論是溫度的改善情況還是載波信號的抑制過程都具有較好的性能。

3.2 創(chuàng)建PSPICE子電路模型

為了集成模擬乘法器可以供系統(tǒng)設(shè)計人員更好地使用，特別創(chuàng)建了PSPICE子電路模型，當系統(tǒng)設(shè)計人員需要使用集成模擬乘法器時，像使用普通器件一樣直接從PSPICE的模型數(shù)據(jù)中調(diào)用創(chuàng)建成功的子電路模型即可，該子電路具有生成電連接網(wǎng)表文件以及子電路模型描述文件的功能，還可以將其本身添加到PSPICE的數(shù)據(jù)中，并且在其中建立屬于自己特有的器件符號，SUBCKT是該電路的關(guān)鍵詞，子電路的名稱叫做Mu1tiplier。Mu1tiplier器件符號[3],如圖5所示。

圖5 Mu1tiplier器件符號

該子電路模型還可以對模型庫進行配置文件，方便系統(tǒng)隨時調(diào)用子電路模型。庫文件配置窗口,如圖6所示。

圖6 庫文件配置窗口

3.3 子電路實際應(yīng)用“立方器”電路設(shè)計

“立方器”電路設(shè)計實際上是將兩個集成模擬乘法器串聯(lián)在一起，即可形成簡單的立方器，該乘法器的子電路模型在Capture中調(diào)用的立方器電路。調(diào)用子電路的立方器電路,如圖7所示。

圖7 調(diào)用子電路的立方器電路

該電路設(shè)計采用的圖1的原始電路圖，電路中設(shè)計的重復(fù)單元采用子電路，有利于降低設(shè)計過程中出現(xiàn)的失誤問題，也可以減少設(shè)計的時間，該電路的設(shè)計對集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)研究過程有重要意義。

4 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路硬件設(shè)計

4.1 模擬乘法器/模擬除法器

該設(shè)計比較常用，實現(xiàn)了模擬乘法器以及模擬除法器一體化形式，該電路將A1、A2、A3設(shè)計為對數(shù)放大器、將T1、T3上的be結(jié)串聯(lián)在一起，即可形成加法運算裝置，當A1、A3輸出之后將對反對數(shù)放大器A4起驅(qū)動作用，從而產(chǎn)生Vx與Vy之積，將得出的乘積稱為V0。在保證對數(shù)放大器穩(wěn)定反饋的同時，保護二極管中的對數(shù)晶體管不受損傷。模擬乘法器/除法器電路[4],如圖8所示。

圖8 模擬乘法器/除法器電路圖

4.2 四象限模擬乘法器電路

該電路設(shè)計的目的是為了解決因晶體管具有的單向?qū)щ娦运斐傻姆糯笃髦荒茌斎胝撾妷旱膯栴}，仿照三極管放大交流信號的方式給放大器加入偏置電壓，這樣的方法使晶體管即使輸入的電壓信號為負電壓，也可以保證晶體管正向?qū)ǎ瑥亩瓿呻娐愤\算模式。該電路中的R5、R6、R7等符號皆表示電阻信號，其作用是調(diào)整零位以及當幅度顯示已滿，及時將其結(jié)果輸出，此步驟對于系統(tǒng)能否制作出高密度的精準模擬乘法器至關(guān)重要。四象限模擬乘法器電路[5],如圖9所示。

圖9 四象限模擬乘法器電路圖

5 集成模擬乘法器的調(diào)幅電路實際運用

5.1 模擬乘法器的調(diào)幅電路仿真分析

集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路使用過程中可以看出高頻率載波信號的振幅是隨著調(diào)制信號變化過程中不斷上下浮動而變化的，變化的規(guī)律周期近乎相同，將高頻率的載波信號振幅變化規(guī)律設(shè)置成與低頻信號相同，可以加強信號的頻率幅度，從而實現(xiàn)信號的幅度調(diào)制，而調(diào)幅變化的過程中，波形也隨之變化，通過仿真開關(guān)即可看出調(diào)制狀態(tài)。集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路,如圖10所示。

圖10 集成模擬乘法器正常調(diào)幅電路

集成模擬乘法器平衡調(diào)幅電路仿真分析過程中可以看出，正常調(diào)幅電路的直流電壓為0時，即可實現(xiàn)平衡調(diào)幅電路，該電路的波形不同于正常調(diào)幅電路，有著自己獨特的特點，當該電路進行調(diào)幅過程后，載頻兩側(cè)的上下邊頻振幅相等，平衡后的信號中不含有載波信號。

5.2 模擬乘法器的調(diào)幅電路實時監(jiān)控

通過上述分析得知，想要設(shè)計出好的集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)，還需要從如下4個方面對電路進行實時監(jiān)控。

5.2.1 對數(shù)晶體管的電流限制

集成模擬乘法器的調(diào)幅電路系統(tǒng)應(yīng)具有極高的準確性，才可以被大眾所接受，想要實現(xiàn)電路系統(tǒng)的精準度，需要將電壓與電流形成對數(shù)關(guān)系，限制晶體管的電極電流的數(shù)值，將電流限制在1 nA～1 mA這個范圍內(nèi)，即可保證乘法器的精準度。雙極性晶體管有兩個PN結(jié)，它具有反向偏置電壓，當電壓過大時可造成反向擊穿的危險現(xiàn)象，影響其對數(shù)性能，此時，應(yīng)采取加入二極管的有效措施，避免發(fā)生更大的損害，從而影響系統(tǒng)的研究方向。

5.2.2 對數(shù)晶體管、電阻等元器件的匹配性要求

模擬乘法器進行運算過程中，需要對數(shù)晶體管的性能參數(shù)匹配程度高達100%，才可以進行高精度運算，因此計算過程中應(yīng)加入集成電路，選取專用的對數(shù)晶體管陳列，只有陳列的高配置晶體管才可以滿足該設(shè)計的理想化要求。相比之下電路中的電阻元件的精度也十分重要，電阻的選用既要精度高，同時溫度穩(wěn)定性也要好，該電阻的精度應(yīng)控制在0.1%，否則將會出現(xiàn)極大的誤差。

5.2.3 對數(shù)放大器的反饋穩(wěn)定性

通常對數(shù)放大器的穩(wěn)定性較差，其原因是因為它的系統(tǒng)中反饋網(wǎng)絡(luò)屬于非線性結(jié)構(gòu)，電壓的增益效果極低，因此，需要對對數(shù)放大器進行穩(wěn)定性設(shè)計。為了使對數(shù)放大器的反饋穩(wěn)定性加強，特將電路中加入電容以及電阻元素作為穩(wěn)定性補償，效果顯著。

5.2.4 零位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)

零位調(diào)整是模擬乘法器中的關(guān)鍵步驟，倘若電路中的四個對數(shù)晶體管不完全匹配，會造成電阻的阻值發(fā)生離散性擴散，運算結(jié)果出現(xiàn)誤差。模擬乘法器輸入信號的幅度值與輸出信號成正比關(guān)系，輸入信號幅值越小，輸出信號幅值也越小，因此系統(tǒng)需要及時對電路進行零位調(diào)整。

5.3 模擬乘法器的應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛，造成電網(wǎng)中的電壓以及電流出現(xiàn)較大變化，因此深入系統(tǒng)了解調(diào)幅電路具有重要意義。集成模擬乘法器的應(yīng)用越來越廣泛，更是成為了電子式電能表中不可或缺的組成部分。隨著集成模擬乘法器技能的逐步完善，使它的應(yīng)用范圍一度超過了模擬計算機的范圍，集成模擬乘法器系統(tǒng)中的運算模式目前被使用于信號的處理、測量數(shù)據(jù)的設(shè)備以及通信工程和自動控制領(lǐng)域等科技發(fā)展領(lǐng)域之中，在其中充當著核心角色，為未來發(fā)展提供有利數(shù)據(jù)。

6 總結(jié)

集成模擬乘法器的調(diào)幅系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣、領(lǐng)域多，幾乎所有的科技系統(tǒng)均可以應(yīng)用該電路系統(tǒng)，使用該電路可以建立你所需要的子電路模型，將其與其他模型庫建立聯(lián)系有利于新產(chǎn)品的推廣，很大程度上減少了人力物力的重復(fù)勞動，更加減少了設(shè)計過程中出現(xiàn)的誤差問題。從高頻率的載波信號變化過程也可以看出，該集成模擬乘法器是一個線性變換的器件，該設(shè)計實現(xiàn)了信號的調(diào)幅過程，具有電路簡單易操作以及可靠性高等特點，具有一定的研究意義。