模拟乘法器的调查报告

模拟乘法器的调查报告

陈凤

通信与信息系统

一、 模拟乘法器的基本原理

现在，常用的模拟乘法器基本上都已实现集成化。而且集成模拟乘法器是一种重要的非线性器件，广泛应用于频率变换、信号处理电路中，构成调制、解调或其它电路。随着集成技术的发展和应用的日益广泛，它已成为继集成运算放大器后最通用的模拟集成电路之一。下面简单介绍一下模拟乘法器。

（一）模拟乘法器的基本特性

模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件，理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。其符号如下图一中（a）和(b)所示，K为乘法器的增益系数。

(a) (b)

图一 模拟乘法器符号图

理想乘法器—对输入电压没有限制， ux= 0 或 uy = 0 时，uO = 0，输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的 。

实际乘法器当ux= 0 ， uy = 0 时，uO  0，此时的输出电压称为输出输出失调电压。ux= 0，uy  0 （或 uy = 0，ux  0）时，uO  0，这是由于uy（ux ）信号直接流通到输出端而形成的，此时 的输出电压为uy（ux ）的输出馈通电压。

（二）变跨导模拟乘法器的基本工作原理

变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路的基础上发展起来的，其基本原理电路如下图所示 。在室温下，K为常数，可见输出电压uO与输入电压uy、ux的乘积成正比，所以差分放大电路具有乘法功能。但uy必须为正才能正常工作，故为二象限乘法器。当 uY 较小 时，相乘结果误差较大，因 IC3 随 uY 而变，其比值为电导量，称变跨导乘法器. z x

y UxUy UoUoUxUy

二、模拟乘法器在振幅调制解调中的应用

（一）信息传输的基本概念

1. 对传输信号进行调制的原因

(1) 根据电磁波理论，天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。如声音信号的频率范围为 0.1 ~ 6 kHz。设 f = 1 kHz，λ=C/ƒ=3×108/103=3×105（m），显然，低频信号直 接发射是不现实的。

(2) 使接收者能区分不同信号。

2. 调制和解调

调制(Modulation)— 将低频信号装载于高频信号。

解调(Demodulation)— 将已调信号还原为低频信号。

3.调制(解调)的方式

调幅 AM (检波) 、调频 FM (鉴频) 、调相 PM (鉴相)

4.信息传输系统

（二）调幅原理

用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。经调幅后的高频信号称调幅信号，把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号，它是运载低频信号的工具。

1、单频调制波形

2、采用乘法器实现调幅

采用模拟乘法器构成的调幅电路如下图所示。调幅系数表示载波受低频信号控制的程度，为了不产生调幅失真，要求UYQ≧UΩm。

3、调幅波(已调波)频谱

4、双边带调幅和单边带调幅

由于载波本身不包含信息，为了提高设备的功率利用率，可以不传送载波而只传送两个边带信号，这种调制方式称为抑制载波双边带调幅，简称双边调幅，用DSB表示。

由于上、下边频带中的任何一个边频带以及功能包含调制信号的全部信息，因此为了节省占有的频带、提高波段利用率，可以只传送两个边带信号中的任何一个，称为抑制载波单边带调幅，简称单边调幅，用SSB表示。

（三）采用乘法器实现解调(检波) 调幅波的解调又称幅度检波，简称检波，它是调幅的反过程。

四、 几种常用的单片集成模拟乘法器介绍

集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596、AD834等。下面对其中几种典型的产品加以介绍。

（一）双平衡模拟乘法器MC1496

实用变跨导模拟乘法器由两个具有压控电流源的差分电路组成，称为双差分对模拟乘法器，也称为双平衡模拟乘法器。属于这一类的单片集成模拟乘法器有MC1496、MC1595等。MC1496内部电路如下图所示。

V1V2V4V3V5V6V7V8R1DR2R3Rc1Rc2

1210435142186+Vcc载波输入调制输入载波输入调制输入接Re接Re－Vee 图二 MC1496内部电路图

它是一个四象限模拟乘法器的基本电路。电路采用了两组差动对由V1—V4组成，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源又V5与V6组成一级差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。D、V7、V8为差动放大器V5、V6的恒流源。可以用集成模拟乘法器1496来构成调幅器。进行调幅时，载波信号加在V1与V4的输入端，即引脚的⑧、⑩之间；调制信号加在差动放大器V5、V6的输入端，即引脚①、④之间；②、③脚外接1KΩ电阻，以扩大调制信号动态范围；已调制信号由双差动放大器的两集电极(即引出脚⑹、⑿之间)输出。

用MC1496集成电路构成的调幅器如图，图中Rp1用来调节调制信号输入差放引脚①、④之间的平衡，Rp2用来调节载波输入差放引脚⑧、⑩之间的平衡，三极管V构成射极跟随器，以提高调幅器带负载的能力。

调制信号由IN2端输入，载波信号由IN1输入，调幅信号由MC1496引脚⑥输出，经耦合电容C5送至射极跟随器放大后由OUT端输出。

图三 1496构成的调幅器

(二) BG314集成模拟乘法器

下面介绍BG314集成模拟乘法器。

（1）BG314内部结构如图四所示，外部电路如图五所示。其中，输出电压ou=kxu yu ；式中 k=yxoxcRRIR2为乘法器的增益系数。

（2）内部结构分析

a 当反馈电阻xR和yR足够大时，输出电压ou与输入电压xu、yu的乘积成正比，具有接近于理想的相乘作用；b 输入电压xu、yu均可取正或负极性，所以是四象限乘法器；c 增益系数k由电路参数决定，可通过调整电流源电流oxI进行调节，BG314增益系数的典型值为k=0.1V1;d k与温度无关，因此温度稳定性较好。当然，乘法器的输入信号动态范围还是有限的。特别是当输入信号幅度增大而负反馈电阻xR、yR又不够大时，同时考虑到晶体管的电压——电流关系并不是完全理想的指数规律特性因素，输入信号动态范围受到限制。理论上讲，允许的输入信号电压的极限值为：maxiu

图四 BG314内部结构图

(3)外部电路参数确定

a. 恒流源偏置电阻R3和R13的估算

图五 BG314外部电路图 V7V1VD2VD11V8V12214V13V48V364 kIox500

500

V24 kIox4573500 VD3V912114 kV10V11V159V144 k1013V167500 VD4500 500 V5V6RxRy5610111314R13RcRc2R11£«Ec4891273R3£Ee£«££«£uxuyBG314£«£uzb.反馈电阻xR、yR的估算

为使乘法器有满意的线性，应使xR、yR满足下列条件，即

xi≤32oxI ; yi≤32oyI

前已选定oxI=oyI=1mA，再要求xu和yu的动态范围

maxxu=maxyu=±5V，则 xR=yR=IoxUx32max

c.负载电阻Rc的估算

取k=0.1V1，则根据k=yxoxcRRIR2可求Rc.

d. R1的估算

由图四可知，当maxxxuu时，x通道差分对管BAVV11和的集电极电压应比maxxu高出2~3V，以保证输出级晶体管工作在放大区，则有：

oxxccIVVuVR2)7.03(max1

（三）AD834集成模拟乘法器

AD834是美国ADI公司推出的宽频带、四象限、高性能乘法器。下面对其进行介绍。

1.主要特性

●带符号差分输入方式，输出按四象限乘法结果表示；输出端为集电极开路差分电流结构，可以保证宽频率响应特性；当两输入X=Y=±1V时，输出电流为±4mA；

●频率响应范围为DC～500MHz；

●乘方计算误差小于0.5％；

●工作稳定，受温度、电源电压波动的影响小；

●低失真，在输入为0dB时，失真小于0.05％；

●低功耗，在±5V供电条件下，功耗为280mW；

●对直通信号的衰减大于65dB；

●采用8脚DIP和SOIC封装形式。

2.AD834的工作原理

AD834有三个差分信号端口：电压输入端口X=X1－X2和Y=Y1－Y2，电流输出端口W=W1－W2；W1、W2的静态电流均为8.5mA。

在芯片内部，输入电压先转换为差分电流(V－I转换电阻约为280Ω),目的是降低噪声和漂移；然而，输入电压较低时将导致V－I转换线性度变差，为此芯片内含失真校正电路，以改善小信号V－I转换时的线性特性。电流放大器用于对乘法运算电路输出的电流进行放大，然后以差分电流形式输出。

AD834的传递函数为：W=4XY (X、Y的单位为伏特，W的单位为mA)

3.应用考虑

3.1 输入端连接

尽管AD834的输入电阻较高(20kΩ)，但输入端仍有45μA的偏置电流。当输入采用单端方式时，假如信号源的内阻为50Ω，就会在输入端产生1.125mV