你應該了解的四種有趣的AM調制電路

本文介紹了幾種用于幅度調制的電路，包括僅用一個(gè)二極管構建的開(kāi)關(guān)調制器和一個(gè)結合了C類(lèi)功率放大器的電路。

實(shí)現幅度調制（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：

- 平方律調制器

- 平衡調制器

- 二極管橋調制器

- 環(huán)形調制器

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

差分對乘法器

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

公式1

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

公式2

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

圖1 生成常規AM波的兩種可能配置

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

圖2 加法功能可以通過(guò)運算放大器求和電路實(shí)現

模擬乘法器的實(shí)現則更為復雜。一種方法是使用如圖3所示的可變跨導乘法器。

圖3 發(fā)射極耦合對作為簡(jiǎn)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，另一個(gè)輸入（V2）用于控制差分對的電流。盡管差分對是一個(gè)非線(xiàn)性電路，但對于小信號V1，該電路表現為恒定增益放大器。如果我們假設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 gm 由下式給出：

公式4

其中，Vt是熱電壓。

通過(guò)結合公式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)輸入信號的乘積成正比。然而，請注意，該公式僅在V1很小且V2遠大于基極-發(fā)射極結的電壓降（約07 V）時(shí)有效。

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

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

環(huán)形調制器：另一種實(shí)現方式

環(huán)形調制器是一種開(kāi)關(guān)調制器。在一個(gè)半周期內，它將輸入信號以原始極性傳輸到輸出端。在另一個(gè)半周期內，信號以反極性傳輸。這會(huì )在載波頻率（fc）及其諧波處產(chǎn)生幅度調制信號。輸出端加入了一個(gè)調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，我們之前詳細討論了環(huán)形調制器。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)現雙平衡環(huán)形調制器的另一種方法。

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

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，二極管D1和D2正向偏置，二極管D3和D4反向偏置?？紤]到電路的對稱(chēng)性，并注意到T1的中心抽頭接地，這意味著(zhù)節點(diǎn)A也應接地。

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

1 二極管D1和D2以及電阻R1和R2匹配。

2 變壓器的次級準確中心抽頭。

在c(t)的正半周期內，電路簡(jiǎn)化為圖5所示的電路。

圖5 載波正半周期內環(huán)形調制器的簡(jiǎn)化圖

應用變壓器的點(diǎn)約定，我們觀(guān)察到消息信號以原始極性出現在輸出端。

負半周期

在載波的負半周期內，二極管D3和D4導通，二極管D1和D2關(guān)閉。在這種情況下，電路的對稱(chēng)性迫使節點(diǎn)B接地，導致電路簡(jiǎn)化為圖6所示的電路。

圖6 載波負半周期內環(huán)形調制器的簡(jiǎn)化圖

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

單二極管開(kāi)關(guān)調制器

現在我們已經(jīng)了解了另一種環(huán)形調制器，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(kāi)關(guān)調制器的電路圖。

圖7 單二極管開(kāi)關(guān)調制器的電路圖

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。我們假設載波的幅度Ac遠大于消息信號（ Ac ? m(t) ）。在這種條件下，二極管充當開(kāi)關(guān)，在c(t)的負半周期內保持關(guān)閉，在正半周期內導通。忽略二極管上的電壓降，我們可以根據節點(diǎn)A的電壓vA表示輸出電壓：

公式6

這相當于將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(kāi)關(guān)調制器中乘以vA的方波函數g(t)

函數g(t)可以展開(kāi)為余弦函數的傅里葉級數：

公式7

節點(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)調諧到fc的帶通濾波器會(huì )抑制上述直流和高頻諧波項。這提供了所需的AM輸出信號：

公式10

單二極管調制器：平方律調制器還是開(kāi)關(guān)調制器？

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(kāi)關(guān)調制器與我們之前文章中學(xué)習的平方律調制器有相似之處。在我們繼續討論下一個(gè)電路之前，讓我們花點(diǎn)時(shí)間討論一下這一點(diǎn)。

在平方律調制器中，消息信號和載波的總和被施加到非線(xiàn)性器件（如二極管、BJT或FET）上。非線(xiàn)性器件的二階非線(xiàn)性生成一個(gè)交叉乘積項，該交叉乘積項與兩個(gè)函數的乘積成正比。非線(xiàn)性器件后面跟著(zhù)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 平方律調制器的框圖

由于可以通過(guò)加入二極管來(lái)實(shí)現非線(xiàn)性特性，那么圍繞二極管構建的平方律調制器與圖7所示的開(kāi)關(guān)調制器之間有什么區別呢？答案在于它們各自的工作原理。

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

公式11

那么平方律調制器生成的AM信號為：

公式12

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

集電極調制器

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

圖10 集電極調制電路的簡(jiǎn)化示意圖

在集電極調制器中，消息信號被放置在驅動(dòng)到飽和狀態(tài)的C類(lèi)RF放大器的電源電壓串聯(lián)路徑中。正的消息信號會(huì )導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。相反，負的消息信號會(huì )導致較低的集電極電壓和較小的放大器輸出。

輸出經(jīng)過(guò)帶通濾波以消除由晶體管的非線(xiàn)性操作產(chǎn)生的諧波。晶體管充當以載波頻率驅動(dòng)的開(kāi)關(guān)。

總結

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