東華大學高頻電子電路通信電子電路課件7-4

1、§7.4 調(diào)幅信號的解調(diào)（檢波）§7.4.1 概述概念：解調(diào)、檢波、檢波器從高頻已調(diào)信號中恢復出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)。通常將從已調(diào)振幅調(diào)制信號中恢復出調(diào)制信號的解調(diào)過程稱為檢波。完成這種解調(diào)作用的電路稱為振幅檢波器，簡稱檢波器。解調(diào)與調(diào)制是逆過程。從頻域上看，是將頻譜從高端（載波附近）搬移至低頻端。檢波是頻譜的線性搬移過程。1檢波電路的功能檢波電路的功能是從振幅已調(diào)信號中不失真的恢復出原調(diào)制信號。(i) 當輸入信號為高頻等幅波時，檢波器輸出為直流電壓,如圖6.4.1（a）所示；(ii) 當輸入信號是正弦調(diào)制的調(diào)幅信號時，檢波器輸出電壓為正弦波，如圖6.4.1（b）所示；(

2、iii)當輸入信號為脈沖調(diào)制的調(diào)幅信號時，檢波器輸出電壓為脈沖波，如圖6.4.1（c）所示。圖6.4.1檢波器的輸入/輸出波形從信號的頻譜來看，檢波電路的功能是將已調(diào)波的邊頻或邊帶信號頻譜從載波附近搬移到原調(diào)制信號所處的頻譜低端。在頻域，檢波完成頻譜的線性搬移。如圖6.4.2（c），輸入信號頻譜為，而通過檢波電路后輸出信號的頻率為。這樣的頻譜搬移過程正好與振幅調(diào)制的頻譜搬移過程相反。圖6.4.2 檢波器原理框圖(a)組成框圖 (b)檢波器輸入、輸出信號的波形； (c) 檢波器輸入、輸出信號的頻譜 2檢波電路的分類根據(jù)輸入調(diào)制信號的不同特點，檢波電路可分為兩大類，包絡(luò)檢波和同步檢波。（1） 包絡(luò)

3、檢波包絡(luò)檢波是指檢波器的輸出電壓直接反映輸入高頻調(diào)幅波包絡(luò)變化規(guī)律的一種檢波方式。即，解調(diào)器輸出電壓輸入已調(diào)波的包絡(luò)。由于AM信號的包絡(luò)與調(diào)制信號成正比。包絡(luò)檢波只適用于AM波的解調(diào)。（確切地說：只能解調(diào)的普通調(diào)幅波）特點：包絡(luò)檢波電路實現(xiàn)簡單，檢波效率高，幾乎所有AM調(diào)幅式接收機均采用這種電路。注意：若AM波，當，無法用此方法檢波，可用同步檢波法。（2） 同步檢波同步檢波主要應(yīng)用于雙邊帶調(diào)幅波（DSB）和單邊帶調(diào)幅波（SSB）的檢波。因為雙邊帶調(diào)幅波和單邊帶調(diào)幅波的頻譜中缺少載波頻率分量。因此不能用包絡(luò)檢波器解調(diào)，必須用 “同步檢波器”實現(xiàn)解調(diào)。原理框圖圖6.4.3 檢波電路的頻譜搬移過程

4、同步檢波又可分為乘積型 圖（a）和 疊加型 圖（b）（乘積型用的比較普遍，疊加型使用的較少）（a）本地載波( b)說明：（i）同步檢波法適用于AM, DSB，SSB的解調(diào)。由于同步檢波比包絡(luò)檢波器復雜，所以很少用于AM解調(diào)，通常只用于解調(diào)DSB和SSB信號和的AM解調(diào)。（ii）為了不失真的恢復原調(diào)制信號，本地載波必須與調(diào)制端的載波電壓完全同步。這是同步檢波名稱的來由。3檢波電路的組成檢波器必須包含有非線性器件，Why?振幅調(diào)制信號，其頻譜有載頻組成，其中沒有包含調(diào)制信號本身的分量。為了解調(diào)出原調(diào)制頻率，檢波器必須包含有非線性器件，以便調(diào)幅信號通過它產(chǎn)生新的頻率分量。檢波電路由三部分組成，高頻輸

5、入回路，非線性器件和低通濾波器。§7.4.2 峰值包絡(luò)檢波（二極管大信號包絡(luò)檢波器）峰值包絡(luò)檢波只適合于的普通調(diào)幅波的解調(diào)。適用條件：峰值包絡(luò)檢波屬于大信號檢波，要求輸入信號幅度>0.5V，通常在1V左右。由于電路簡單、性能好，因而得到廣泛應(yīng)用。一、大信號包絡(luò)檢波電路的工作原理圖6.4.4 (a)是二極管峰值包絡(luò)檢波器的原理電路。檢波電路的組成高頻信號輸入回路；非線性器件：二極管VD（三極管、場效應(yīng)管）。低通濾波器：通常由RC電路組成。其作用有二個：(a)作為檢波器的負載，其二端產(chǎn)生調(diào)制頻率的電壓要求：，即電容對調(diào)制信號阻抗很大（近似斷路），由R取出調(diào)制信號。(b) ,C對高頻

6、載波短路，濾除高頻。在理想情況下，RC網(wǎng)絡(luò)的阻抗Z應(yīng)滿足：即：對于高頻載波，RC網(wǎng)絡(luò)短路；對于直流或低頻，RC網(wǎng)絡(luò)中的C開路，其等效負載為R。式中,c為輸入信號的載頻。問題：在調(diào)幅超外差接收機中，c對應(yīng)的是什么頻率？為中頻I，為調(diào)制信號頻率。檢波過程分析實質(zhì)：檢波過程是在二極管作為通斷開關(guān)的控制下，完成對二極管充放電的過程。(i) 充電過程在輸入信號正半周，二極管導通，對電容充電。 C對高頻載波近似短路，基本上全部加在二極管上， 導通，C被充電，充電時間常數(shù)。(ii) 放電過程二極管上的電壓，當時，如下圖所示的BC段，二極管截止，電容通過R放電。放電時間常數(shù)RC充電快、放電慢，使電容上的電荷不

7、斷積累，電壓逐漸升高，最后達到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡：即導通時對C的充電電荷等于截止時C對R的放電電荷。此時，電容二端的電壓近似等于輸入信號的峰值電壓。為了便于說明檢波原理，先分析高頻等幅信號經(jīng)檢波電路后的特性。i) 為高頻等幅信號下圖為加入等幅波時檢波器的波形剛接入時，R、C二端的電壓a) 在正半周，二極管導通，對電容C充電，充電時間常數(shù)（為二極管正向?qū)娮?，很?。?。充電速度很快，這時 RC二端的電壓為，該反向加在檢波二極管上。b)到達B時，之后，二極管截止，電容C通過R放電，放電時間常數(shù)RC(>>)，電容上的電壓下降不多，在C點處，下一個周期的高頻信號使。之后，二極管導通，又開始

8、充電過程。如此充放電過程循環(huán)往復。c)由于充電快、放電慢，使C上的電荷不斷積累，導通的時間不斷減小，直至達到平衡狀態(tài)：即導通時對C的充電電荷等于截止時C對R的放電電荷。這時，值近似等于輸入信號的峰值電壓，二極管的導通時間很短，導通角很小，電容上的電壓是一個脈動電壓，脈動的頻率就是載波頻率。d)平衡時檢波器輸出電壓基本上與輸入電壓的包絡(luò)相等，所以這種檢波器稱包絡(luò)檢波器。檢波過程可以概括為以下幾點:(1)檢波過程就是信號源通過二極管這個開關(guān)的控制給電容充電和電容對電阻R放電的過程。(2)由于電容充電時間常數(shù)rDC遠小于電容放電的時間常數(shù)RC，使得電容上的電壓接近于高頻正弦波的峰值電壓，所以叫二極管

9、峰值包絡(luò)檢波器。輸入信號是高頻等幅波時，檢波輸出為脈動反映充放電過程的高頻成分。二極管導通時間非常短，電流導通角很小，為一系列尖頂余弦脈沖，二極管電流iD包含平均直流分量Iav及高頻分量。ii) 輸入信號為調(diào)幅波時當輸入為調(diào)幅波時的檢波器工作波形如圖6.4.6所示。結(jié)論：(a)二極管電流中包含平均直流成分是（低頻調(diào)制分量）及高頻分量。平均直流分量是流經(jīng)電阻R，形成檢波電壓輸出；高頻電流分量大部分被電容C濾除，部分會在R上產(chǎn)生很小的高頻濾波電壓。因此，(b)檢波輸出的電壓由三部分構(gòu)成：。實際上，如果電路元件選擇得合適，高頻濾波電壓將很小，可以忽略。檢波電壓輸出中只包括低頻調(diào)制分量是，如下圖所示，

10、其中，（即圖中的）反映輸入調(diào)幅波的幅度平均值，：與調(diào)制信號幅度成比例。(c)峰值包絡(luò)檢波器的實用輸出電路圖（a）：隔直作用，濾除檢波器輸出直流分量，電路輸出原調(diào)制信號的解調(diào)信號。圖（b）：為濾除檢波輸出的調(diào)制信號，輸出直流信號。這種電路一般可用作自動增益控制電路（AGC信號）的檢測電路。小結(jié)：（本節(jié)應(yīng)掌握的內(nèi)容）二極管峰值包絡(luò)檢波器的構(gòu)成，各部分的功能。二極管峰值包絡(luò)檢波器工作的實質(zhì)，電容的充放電過程。流過二極管的電流為尖頂余弦脈沖序列。其中包含哪些頻率分量，其中的高頻成分被低通濾波器濾除，只有直流和低頻分量（調(diào)制信號）在濾波器兩端輸出。當檢波電路輸入信號為等幅信號時，輸出為一直流電壓。當輸入

11、信號為AM時，輸出的直流電壓和調(diào)制信號電壓二部分。通過隔直流電容，取出調(diào)制信號。從檢波過程的分析可知：數(shù)值對檢波器輸出性能影響很大。值過小，放電很快，高頻紋波加大，平均電壓下降。取值過大，放電慢。當AM信號幅度變化快時，跟不上峰值包絡(luò)的下降，從而造成失真，在后面將專門討論。二、大信號檢波電路的性能分析檢波器的性能指標主要有：電壓傳輸系數(shù)（檢波效率），輸入阻抗及非線性失真。1. 傳輸系數(shù)（檢波效率）描述檢波器將高頻調(diào)幅波轉(zhuǎn)換為低頻電壓的能力。輸入等幅載波 輸入AM 對于 （靜態(tài)檢波效率）對于 （動態(tài)檢波效率），其中為輸出低頻信號的電壓幅值；為輸入調(diào)幅波包絡(luò)的電壓幅值。通過對二極管伏安特性及周期性

12、余弦脈沖的定量分析可知： 詳細推導過程參見高頻電路原理與分析電子科技大學出版社，曾興雯主編。由于導通角很小，檢波效率對檢波效率的二個要求：a) 希望檢波效率越大越好。這樣對于相同的檢波輸出電平要求的輸入信號包絡(luò)幅值可以較小。對前面電路的增益，動態(tài)范圍的要求就可以小一些。b) 檢波效率是常數(shù)。不隨輸入信號的幅度變化，以便實現(xiàn)線性不失真檢波。由式可知，與幅值無關(guān)，只與電路參數(shù)有關(guān)。若輸入，則輸出2.輸入阻抗在接收機中，檢波器跟在中頻放大器后面，作為負載并接在中頻選頻網(wǎng)絡(luò)兩端，影響中頻回路的Q值，從而影響中頻的選頻特性。因此希望檢波器的輸入阻抗越大越好，這樣對前級放大器的Q值及增益影響都較小。圖6.

13、4.7 中頻放大器與檢波器級聯(lián) 檢波器輸入電阻的定義：                      說明：二極管檢波電流是以載頻為重復頻率的尖頂脈沖，檢波器的輸入阻抗是描述檢波器對前級的影響，因此定義為輸入信號電壓幅度與二極管檢波電流中信號基波分量幅度之比。掌握：定義 檢波器的輸入阻抗一般由電阻和電容并聯(lián)構(gòu)成，通常將電容部分計入到前級高頻諧振回路電容內(nèi)，所以只考慮輸入電阻。大信號

14、峰值包絡(luò)檢波器的輸入阻抗只取決于負載電阻。此結(jié)論可由能量守恒定理得到證明。假設(shè)輸入為等幅載波則輸入功率： 輸出功率： ，忽略二極管導通電阻上的損耗。由能量守恒定理得：等效輸入電阻就是中頻放大器的負載。所以從增加中頻放大器增益、提高接收機靈敏度的角度出發(fā)，應(yīng)盡量加大，也即應(yīng)加大，但是的增大將受到檢波器中非線性失真的限制，后面將分析檢波器中的非線性失真。解決以上矛盾的一個有效方法是采用圖6.4.8所示的三極管射極包絡(luò)檢波電路，這種電路在集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。由圖可見，就其檢波物理過程而言，它利用發(fā)射結(jié)產(chǎn)生與二極管包絡(luò)檢波器相似的工作過程，不同的是：（a）三極管檢波電路除了便于集成之外，還具有

15、放大作用，使；（b）輸入電阻比二極管檢波器增大了倍。 圖6.4.8 三極管射極包絡(luò)檢波電路3. 二極管包絡(luò)檢波器中的失真檢波電路圖6.4.9計入耦合電容和低放輸入等效電阻后的檢波電路：耦合電容； ：后級低頻放大器的等效輸入電阻。檢波電路的失真分為頻率失真、非線性失真、惰性失真和負峰切割失真。(1)頻率失真（線性失真）定義：由于容抗對不同頻率的信號的傳輸特性不同而引起的失真,又叫線性失真。舉例分析說明：檢波電路對C的要求有兩個方面：其一，濾除調(diào)幅波中的載波頻率分量，即對短路；應(yīng)滿足 對短路其二，在負載上取出調(diào)制信號，即對調(diào)制頻率開路。應(yīng)滿足 在產(chǎn)生壓降當C取大以便濾除高頻載波時，對于調(diào)制頻率為的

16、調(diào)幅波， 當C取得過大時，對于檢波后輸出的電壓上限頻率來說，C的容抗將產(chǎn)生旁路作用。對于不同的頻率將產(chǎn)生不同的旁路作用。這樣便產(chǎn)生了頻率失真。為了不產(chǎn)生頻率失真，應(yīng)使電容C的容抗對上限頻率旁路作用要小(應(yīng)呈現(xiàn)斷路)，為此應(yīng)滿足確保調(diào)制信號在產(chǎn)生壓降 同樣為了不因其頻率失真，應(yīng)使對于下限頻率的電壓降很?。ūM量呈現(xiàn)短路），必須滿足（2)非線性失真產(chǎn)生原因：二極管的伏安特性是彎曲的，就伏安特性來說，在電壓較小時，電流變化較慢；在電壓較大時，電流增加得快。結(jié)果：當檢波器輸入為調(diào)幅波時，在調(diào)幅波包絡(luò)的正半周，單位輸入電壓引起的電流變化大，檢波輸出電壓大；而在調(diào)幅包絡(luò)的負半周，二極管電流變化的速

17、度慢，單位輸入電壓引起的電流變化小，檢波輸出電壓小，這樣就造成了檢波器輸出電壓正、負半周不對稱。這種波形的不對稱是二極管伏安特性非線性引起。（3）惰性失真（對角線切割失真）在調(diào)幅波包絡(luò)下降時，由于時間常數(shù)太大，電容C的放電速度跟不上輸入電壓包絡(luò)的下降速度，致使二極管截止而產(chǎn)生失真（如下圖中時間內(nèi)）。這種非線性失真是由于C的惰性太大引起的，所以稱為惰性失真。產(chǎn)生的原因：一方面RC越大高頻紋波越小越大，檢波效率高；另一方面RC過大，其放電時間常數(shù)就會越大，電容C兩端電壓【即】在二極管截止期間放電速度會較慢。如果的放電速度小于輸入信號包絡(luò)下降的速度，會造成二極管負偏壓大于輸入信號的下一個正峰值，致使

18、二極管在其后的若干個高頻信號周期內(nèi)不導通，如課本圖7-23所示所描述的情形。其輸出波形不隨輸入信號包絡(luò)而變化，從而產(chǎn)生失真。這種失真是由于電容放電惰性引起的，故稱惰性失真。越大，調(diào)制頻率越高，則包絡(luò)下降的速度就越快，越易產(chǎn)生惰性失真。下圖為惰性失真波形圖要避免惰性失真，必須在任何一個高頻信號周期內(nèi)，電容的放電速度（即的下降速度）大于或等于包絡(luò)的下降速度。即：在任何時刻，電容C上的電壓的變化率應(yīng)大于或等于包絡(luò)信號的變化率，即： （4-1） 包絡(luò)隨時間的變化率若輸入信號為單頻調(diào)制的AM信號，即 包絡(luò)信號在時刻的變化率 （4-2） 電容放電的速率在時刻電容二端的電壓近似與輸入信號的峰值相等。即：C通

19、過R放電的電壓表達式在時刻電容放電的速率為 （4-3）令： (4-4) (4-5)由于不同時刻，調(diào)幅波的包絡(luò)下降速度不同，為了保證在包絡(luò)下降最快時，仍不產(chǎn)生惰性失真，即確保A值最大時,仍有Amax1。令dAdt=0,求得A達到最大值的條件（4-6）將（4-6）代入（4-5）得：避免惰性失真的條件：當調(diào)制信號為多頻信號時，必須保證，最大時滿足 ： 注意：一定要正確理解R的物理意義。請大家運用multisim去對放電電阻R進行探討。（4）負峰切割失真負峰切割失真又稱底部切割失真。產(chǎn)生這種失真后, 輸出電壓的波形如下圖所示。 圖6.4.11負峰切割失真產(chǎn)生負峰切割失真原因分析：檢波輸出中有音頻和平均直流電平，因為Cc較大,在音頻一周內(nèi),加在Cc其兩端的平均直流電平基本不變，可以把它看作一直流電源，在電阻R和RL上產(chǎn)生分壓。在電阻R上的壓降為: 該電壓反向的加在檢波二極管上。檢波器的輸入其中的平均直流電平 即大小約為載波振幅值要避免負峰切割失真：輸入調(diào)幅波包絡(luò)的最小值必須大于二極管上的反向電壓即 式中為檢波器交流負載 由上式可知，當一定時，檢波器的交流負載越接近檢波器的直流負載R,負峰切割失真就越不易產(chǎn)生，由（2）式可知，要使接近直流負載R，就必須提高 當，則有實際上，現(xiàn)代設(shè)