第4章

振幅調(diào)制、解調(diào)

與混頻電路4.2

檢波電路4.2.1

包絡(luò)檢波電路4.2.2同步檢波電路4.2.1

包絡(luò)檢波電路

普通調(diào)幅波，其載波分量未被抑制掉，可直接利用非線性器件實(shí)現(xiàn)相乘作用，得到所需的解調(diào)電壓，勿須另加同步信號(hào)，稱包絡(luò)檢波器。最常用的檢波器：二極管包絡(luò)檢波器(在集成電路中，主要采用三極管射極包絡(luò)檢波電路)。一、工作原理

1．電路類似二極管整流電路，由

D和低通濾波器

RLC相串接構(gòu)成。特點(diǎn)：檢波二極管與負(fù)載RL

相串聯(lián)。2．原理（1）輸入等幅信號(hào)：vS(t)=Vm0cosct，若其幅值足夠大，可設(shè)二極管伏安特性用在原點(diǎn)轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近。

D導(dǎo)通時(shí)，vS

向

C充電，充

=RDC；

D截止時(shí)，C向

RL放電，放

=RLC；0～t1：D導(dǎo)通，vs(t)通過(guò)RD對(duì)C充電；t=t1：vs(t)=

vo(t)；t1～t2：D截止，vo(t)向RL放電；∵RL>>RD,∴τ放

>>τ充；t=t2：vs(t)=vo(t)；

t2～t3：類似0～t1，vs(t)通過(guò)RD對(duì)C充電。

同整流電路：VAV值與輸入信號(hào)幅值

Vm0

成正比：

VAV=dVm0，d

：檢波電壓傳輸系數(shù)(檢波系數(shù))，恒小于1。充放電達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，輸出電壓便將穩(wěn)定在平均值

VAV上下按角頻率

c

作鋸齒狀波動(dòng)。

開始時(shí)，Q充>Q放，→vo(t)↑→D的導(dǎo)通時(shí)間（t2-t3）↓→Q充↓，Q放↑,最終Q充=Q放當(dāng)且時(shí)，，即，稱為理想檢波，這時(shí)二極管大部分時(shí)間是截止的，導(dǎo)通時(shí)間極短（導(dǎo)通角極?。?。（2）輸入調(diào)幅信號(hào)：vS(t)=Vm0(1+Macos

t)cosct，vAV應(yīng)近似其包絡(luò)。充放電達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，輸出電壓便將穩(wěn)定在平均值

vAV

上下按角頻率

c

作鋸齒狀波動(dòng)。

由于，所以當(dāng)輸入信號(hào)的幅度變化時(shí)，vAV也按同樣規(guī)律變化。

即vAV

=VAV+Vmcost

且其值與輸入調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)

Vm0(1+Macos

t)成正比：

VAV=dVm0，Vm=dMaVm0=

Ma

VAV

d：檢波電壓傳輸系數(shù)(檢波系數(shù))

。要求：大信號(hào)，即vs(t)的最小振幅，二極管的伏安特性才能用在原點(diǎn)轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近。此外，二極管電流

i為高度按輸入調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)變化的窄脈沖序列，如圖(b)所示。

(1)D的作用原理上，D起著受載波電壓控制的開關(guān)作用。實(shí)際上，受

RLC電壓反作用，D僅在載波一個(gè)周期中接近正峰值的一段時(shí)間(vS

>vC)內(nèi)導(dǎo)通(開關(guān)閉合)，而在大部分時(shí)間內(nèi)截止(開關(guān)斷開)。

(2)D導(dǎo)通與截止時(shí)間與RLC大小有關(guān)。

RLCC向RL的放電速度

C的泄放電荷量

D導(dǎo)通時(shí)間鋸齒波動(dòng)vAV

增大。

為提高檢波性能，RLC

取值應(yīng)足夠大，要滿足和

RL>>RD的條件。這時(shí)，根據(jù)上述討論可以認(rèn)為，VAV

Vm0，即檢波電壓傳輸系數(shù)

d趨于

1，而疊加在

vAV

上的殘余高頻(輸出紋波)電壓趨于

0。3．討論二、輸入電阻

1．等效電路檢波器前有中頻放大器，其等效電路如圖(b)：

iS

和

L1C1R1—中頻放大器折算到檢波器輸入端的等效電流源和輸出諧振回路(調(diào)諧在

c)。

2．物理意義檢波器作為中頻放大器的負(fù)載，可以用檢波輸入電阻

Ri

來(lái)表示這種負(fù)載效應(yīng)。

(1)Ri定義：輸入高頻電壓振幅對(duì)二極管電流

i

中基波分量振幅的比值。

(2)Ri的求法：可近似從能量守恒原理求得。設(shè)輸入高頻等幅電壓

vS(t)=Vm

cosct，則檢波器從輸入信號(hào)源獲得的高頻功率為輸出平均功率設(shè)D導(dǎo)通時(shí)間很短，i在

RD

上消耗的功率可以忽略，故

PL

Pi，又VAV

Vm(檢波電壓傳輸系數(shù)

d趨于

1)，由此可得：

(3)Ri的作用：使中頻諧振回路的諧振電阻由

R1減小到(R1//Ri)，因此，

iS

在諧振回路產(chǎn)生的高頻電壓振幅由未接檢波時(shí)的下降到接檢波后的

Vm。顯然

Ri

越小，Vm

也就越小于

，稱負(fù)載效應(yīng)。

(4)負(fù)載效應(yīng)的抑制：減小負(fù)載效應(yīng)，須增大

Ri，即增大

RL。但增大

RL，受檢波器惰性失真(下面介紹)的限制。解決辦法：采用三極管射極包絡(luò)檢波電路。

原理：

(1)發(fā)射結(jié)等效檢波二極管；

(2)輸入電阻比二極管檢波器增大了(1+)倍(該檢波電路廣泛應(yīng)用于在集成電路中)。三、大信號(hào)檢波和小信號(hào)檢波(1)大信號(hào)檢波(包絡(luò)檢波)

①

條件：二極管伏安特性可用原點(diǎn)轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近(即輸入電壓足夠大，二極管輪流工作在導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)時(shí))，故二極管包絡(luò)檢波的這種工作狀態(tài)稱為大信號(hào)檢波。

②

實(shí)際電路：均外加正向偏置電壓(或電流)，克服

VD(on)

的影響。在這種情況下，工程上，可認(rèn)為輸入高頻電壓振幅大于500mV以上就能保證二極管檢波器工作在大信號(hào)檢波狀態(tài)。

(2)小信號(hào)檢波

①

條件：vS

振幅

Vm

足夠小(幾~十幾mV)，此時(shí)，二極管應(yīng)設(shè)有很小的偏置電流（圖(a)電路：-VCC通過(guò)R實(shí)現(xiàn)）

②

分析：二極管工作在伏安特性的彎曲部分。二極管伏安特性采用冪級(jí)數(shù)逼近，即

其中，所需的平均分量

IAV由二次方項(xiàng)產(chǎn)生，其值為a2Vm2/2，相應(yīng)的輸出平均電壓

VAV也與

Vm

的平方成正比，故稱之為平方律檢波。

③

討論——缺點(diǎn)平方律檢波，輸出平均電壓

VAV與

Vm

的平方成正比，故不能正確反映輸入調(diào)幅波的包絡(luò)變化而產(chǎn)生非線性失真。

這時(shí)，二極管在整個(gè)高頻周期內(nèi)導(dǎo)通，檢波器從信號(hào)源獲得到高頻功率大部分消耗在

RD上，加到二極管上的電壓

vD

vS(t)=Vmcosct，將它帶入

i的展開式：檢波器獲得到高頻功率大部分消耗在

RD上，因而可近似認(rèn)為即

Ri

RD，其值小于大信號(hào)檢波(Ri

RL)時(shí)的數(shù)值。由于小信號(hào)檢波存在上述缺點(diǎn)，故接收機(jī)中先將輸入信號(hào)放大再進(jìn)行檢波，以保證工作在大信號(hào)檢波狀態(tài)。

在有效值電壓表等測(cè)量?jī)x器中，利用小信號(hào)檢波的平方律特性，可以方便地測(cè)出被測(cè)信號(hào)的有效值電壓。在這類儀器中，小信號(hào)檢波獲得廣泛應(yīng)用。

四、二極管包絡(luò)檢波電路中的失真

為保證檢波器不失真，檢波器輸入調(diào)幅電壓

vS

須足夠大，使檢波器始終工作在大信號(hào)檢波狀態(tài)。設(shè)

vS(t)=Vm0(1+Macos

t)cosct則包絡(luò)的最小值

Vm0(1－Ma)

應(yīng)大于大信號(hào)檢波時(shí)所需的電壓值。當(dāng)二極管的導(dǎo)通電壓

VD(on)

由外加偏置電壓予以克服時(shí)，該電壓應(yīng)在

500mV

以上。因而這種情況下，保證大信號(hào)檢波的條件為Vm0(1-Ma)500mV其次，當(dāng)輸入為復(fù)雜信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波時(shí)，若設(shè)調(diào)制頻率為Fmin

Fmax，如果電路參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生頻率失真。除此之外，當(dāng)解調(diào)調(diào)幅波時(shí)，如果電路參數(shù)選擇不當(dāng)，二極管包絡(luò)檢波器還會(huì)產(chǎn)生惰性失真和負(fù)峰切割失真。

1．頻率失真（1）C的影響（a）C對(duì)應(yīng)等效短路，即（工程上）如C太小，則紋波電壓太大。（b）C對(duì)F應(yīng)等效開路，即即C不能太大。如C太大，則Fmax會(huì)衰減。而且不同的F，衰減量不一樣，這樣檢出的就會(huì)失真。同時(shí)還會(huì)引起惰性失真。

（2）Cc的影響CC一般為大電解電容，起隔直耦合作用，對(duì)FminFmax應(yīng)相當(dāng)短路。

2．惰性失真

(1)產(chǎn)生原因要使vAV順著vs(t)的包絡(luò)變化，在vs(t)的每個(gè)周期內(nèi)C應(yīng)充放電一次。

RLC過(guò)大時(shí)，二極管截止期間

C通過(guò)

RL的放電速度過(guò)慢跟不上輸入調(diào)幅波包絡(luò)的下降速度，輸出電平就會(huì)產(chǎn)生惰性失真。

(2)避免產(chǎn)生惰性失真的條件為了避免產(chǎn)生惰性失真，必須在任何一個(gè)高頻周期內(nèi)，C通過(guò)

RL的放電速度大于等于包絡(luò)的下降速度，即可推得單音調(diào)制時(shí)不產(chǎn)生惰性失真的充要條件：

(3)

分析

Ma和

越大，包絡(luò)的下降速度越快，不產(chǎn)生惰性失真所要求的

RLC

值必須越小。多音調(diào)制時(shí)，作為工程估算，和

Ma

應(yīng)取其中的最大值。

3．負(fù)峰切割失真——檢波器交直流負(fù)載比例不當(dāng)引起

(1)檢波器的交直流負(fù)載檢波器與下級(jí)放大器連接采用

阻容耦合電路，避免

vAV

中的直流分量

VAV影響下級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。

CC

：

隔直電容，要求它對(duì)

呈交流短路；

Ri2：下級(jí)電路的輸入電阻。檢波器的交流負(fù)載：

ZL()RL//Ri2直流負(fù)載：ZL(0)=RL說(shuō)明在這種檢波電路中，ZL()ZL(0)，且

ZL()

ZL(0)

(2)負(fù)峰切割失真當(dāng)輸入調(diào)幅波電壓的

Ma較大時(shí)，由于交、直流負(fù)載不等，輸出音頻電壓在其負(fù)峰值附近將被削平，出現(xiàn)“負(fù)峰切割失真”，如圖所示。

(3)失真的原因

①

正常情況——無(wú)負(fù)峰切割若等幅波輸入，CC上產(chǎn)生直流電壓：VAV≈Vm0加到D的負(fù)端當(dāng)

Ma

較小時(shí)，加到

D正端的包絡(luò)電壓在一個(gè)周期內(nèi)總是大于VRL，二極管導(dǎo)通，工作正常；

②

異常情況——有負(fù)峰切割若Ma

較大，可能在t1-t2

內(nèi)，包絡(luò)電壓Vm<VRL，D截止，底部出現(xiàn)切割失真，故稱負(fù)峰切割失真，直到包絡(luò)電壓Vm>VRL，D重新導(dǎo)通。Ma

越大，或Ri2

越小，失真越大

③

避免負(fù)峰切割失真的條件

(Vm0－MaVm0)VRL

可見(jiàn)，交直流電阻越接近，不產(chǎn)生負(fù)峰切割失真所允許的

Ma值就越接近于

1。

④

改進(jìn)措施出發(fā)點(diǎn)：減小交、直流負(fù)載電阻的差別。

法1：將

RL分成

RL1和

RL2，當(dāng)

RL維持一定時(shí)，

RL1越大，交、直流負(fù)載電阻的差值就越小，但輸出音頻電壓也就越小。為了折衷地解決這個(gè)矛盾，實(shí)用電路中常取

RL1/RL2=0.1~0.2。

C2：進(jìn)一步濾除高頻分量，對(duì)呈開路。

法2：當(dāng)Ri2

過(guò)小時(shí)，在RL

和

Ri2

之間插入高輸入阻抗的射隨器。ZL()=

RL1+RL2//Ri2；ZL(0)=

RL1+RL2

例：廣播收音機(jī)中檢波器的實(shí)用電路（P281）分析：（1）二極管正向偏置電路；（2）負(fù)峰切割失真的克服；（3）AGC電路AGC作用：（1）使收音機(jī)接收不同電臺(tái)強(qiáng)弱變化較大時(shí)，輸出音量基本不變；（2）使同一電臺(tái)的音量不至于有明顯的忽大忽小。4.2.2

同步檢波電路

一．同步檢波作用：

又稱為相干檢波，解調(diào)各種振幅調(diào)制信號(hào)。二．實(shí)現(xiàn)電路相乘器+低通二極管包絡(luò)檢波{1.相乘器+低通（P2284.1.2小節(jié)）（1）實(shí)現(xiàn)模型vs(t)：輸入已調(diào)波，可以是AM或DSB或SSB。vr(t):同步信號(hào)與載波