模拟乘法器

沈阳大学科技工程学院

模拟乘法器

1.课程设计目的

随着电子技术的发展，集成模拟乘法器应用也越来越广泛，它不仅应用于模拟量的运算，还广泛应用于通信、测量仪表、自动控制等科学技术领域。

在本次课程设计实验中，通过对高频电子线路的振幅调制与解调，模拟乘法器的学习设计出由双差分对乘法器为主构成的乘法器常规调幅电路，通过对电路的设计，参数的确定，设计出了方案，按照设计的电路图在Multisim 仿真软件中画出具体的仿真电路图并进行了调试，观察实验结果并与课题要求的性能指标做了对比，最后对实验结果经行了分析总结。

2.设计方案论证

2.1 乘法器常规调幅的设计作用

随着电子技术的发展，集成模拟乘法器应用也越来越广泛，它不仅应用于模拟量的运算，还广泛应用于通信、测量仪表、自动控制等科学技术领域。用集成模拟乘法器可以构成性能优良的调幅和解调电路，其电路元件参数通常采用器件典型应用参数值。作调幅时，高频信号加到输入端，低频信号加到Y 输入端；作解调时，同步信号加到X 输入端，已调信号加到Y 输入端。调试时，首先检查器件各管脚直流电位应符合要求，其次调节调零电路，使电路达到平衡。集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的器件，它广泛用于乘法、除法、乘方和开方等模拟运算，同时也广泛用于信息传输系统作为调幅、解调、混频、鉴相和自动增益控制电路，是一种通用性很强的非线性电子器件，目前已有多种形式、多品种的单片集成电路，同时它也是现代一些专用模拟集成系统中的重要单元。

2.2乘法器常规调幅设计

调制就是指携带有用信息的调制信号去控制高频载波信号解调是调制的逆过程，将有用的低频信号从高频载波中还原出来。调幅过程是非线性变换的过程。

普通调幅是用需传送的信息(调制信号))(t u Ω去控制高频载波)(t u c 的振幅，使其随调制信号)(t u Ω的规律而变化。

调幅时，载波的频率和相位不变，而振幅将随调制信号线性变化。若载波信号为

t U t u c cm c ωcos )(=，调制信号为)(t u Ω。则普通调幅波的振幅为：

)()(t u k U t U a cm cm Ω+=

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式中，a k 是一个与调幅电路有关的比例常数。)(t U cm 称为包络函数，它反映了)(t u Ω的变化规律。因此，调幅波的数学表达式为

t t u k U t t U t u c a cm c cm A M ωωcos )]([cos )()(Ω+==

2.3 乘法器框图及分析

根据乘法运算的代数性质，乘法器有四个工作区域，由它的两个输入电压的极性来确定，并可用X-Y 平面中的四个象限表示。能够适应两个输入电压四种极性组合的乘法器称为四象限乘法器；若只对一个输入电压能适应正、负极性，而对另一个输入电压只能适应一种极性，则称为二象限乘法器；若对两个输入电压都只能适应一种极性，则称为单象限乘法器。

图1 乘法器框图

作调幅时，高频信号加到X 输入端，低频信号加到Y 输入端；作解调时，同步信号加到X 输入端，已调信号加到Y 输入端，本实验电路中将载波信号加在X 端，调制信号加在Y 端。调试时，先检查器件各管脚直流电位应符合要求，其次调节调零电路，使电路达到平衡。还需注意：（1）Y 端输入信号幅度不应超过允许的线性范围，其大小与反馈电阻R Y 有关，否则输出波形会产生严重失真；（2）X 端输入信号可采用小信号（小于26mV ）或者大信号（大于260mV ），采用大信号可获得较大的调幅或解凋信号输出，本实验给出的是大信号。信息传输系统中，调制是用以实现电信号远距离传输及信道复用的重要手段。由于低频信号不能实现远距离传输，若将它装载在高频信号上，就可以进行远距离传输，当使用不同频率的高频信号，可以避免各种信号之间的干扰，实现多路复用。

2.4电路设计基本思路及各部分结构原理

差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因此得到广泛的

应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放大器的输入级。本实验采用双差分对相乘器设计，其电路如下图

图2 双差分放大器电路

差分放大电路不仅具有放大作用，还具有乘法功能，所以它成为变跨导单片集成模拟乘法器的基本单元电路。双差分电路由两对差分放大器组成第一对差分放大器Q11，Q9管，第二对差分放大器Q10，Q13管，Q14和1Q8分别是两对差分放大器的恒流源他们的输入电压为差模输入电压，输出集电极交叉连接，同时Q14，Q18又组成一对差分放大管。本实验恒流源Io/2用Q17，Q19实现，二极管与电阻500Ω构成Q17与Q19的偏置电路，R7为反馈电阻,用于扩展输入信号的范围，计算电路参数，在Multism10中画出仿真电路图正确输入载波信号和调制信号即可进行设计电路仿真。直流电源采用正负双极电源VCC=|VEE|，差分放大电路都具有放大差分信号，抑制共模信号的作用，实验设计电路中设计的输入信号是差模信号，5和8线输入的是输入信号，由于其幅值很小，在实际电路中采用负反馈技术来扩展它的动态范围R7为增益电阻，在这里起到负反馈的作用流过R7 的共模电流为0，给每管的负载为R7的一半，R4，R5 R6组成单端输出，利用这三个电阻的负反馈作用抑制共模信号，在设计电路中对差模视为短路，R3的作用是给内部差分对管提供恒流源的外接阻抗。

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2.5乘法器常规调幅电路参数选择计算

低频信号U Ω

t U U m Ω=ΩΩcos Ft U m π2cos Ω=

高频载波信号分别为 Fct U t w U Uc cm c cm π2cos cos ==

式中，F 为输入信号频率，c F 为载波频率，设两者波形的初相角均为零。将Uc 和ΩU 分别输入模拟乘法器的X 和Y 输入端，a U 为一固定的直流电压，要求a U ≥ΩU ，一般选取a U 为1V 。由此可得输入端总的输入电压为

Y U = a U +t U m ΩΩcos

因此，模拟乘法器的输出电压

U 。=K X U Y U =K (a U +t U m ΩΩcos )t w U c cm cos

= K t w t U U U U c a cm a cos ]cos )/(1[Ω+Ω

= K t w t m U U c a cm a cos )cos 1(Ω+

其中Ma 为调幅系数，由设计要求已知调幅系数为0.5，UΩm=500mv ,F=1.5KHz;

cm U =100mv.Fc=10KHz.

U 。=K c U U Ω =K0.5 cos2π15000t .0.1cos2π10000t

=0.25(cos3000πt+cos20000πt)

根据要求对输出波形放大10倍，所以K 取10，所以

U 。=0.25[cos (23000πt)+ cos (17000πt)]

对于其它参数根据资料查询可知K=)/()(2t X c V R R a

R3的取值可由下面方程决定

0-（-VEE ）=（3β+βb I ）R3+Vbe+（1+β）IbR2

c I 的取值可根据电路具体情况取值，c I =（VEE-be V ）/(R3+R6),所以取R3为1KΩ。估算R1和R2，R1=R2，集电极电位约为Vcc —IcR1，基极电位通过外接电阻设定约为0.5Vcc 为了保证T1，T2和T3，处于放大状态则Vcc-IcR1≥0.5V cc ，于是R1≤0.5V cc /Ic=6KΩ，选取R1和