西电射频大作业题目一

班级021171
射频电路基础期中大作业
学院电子工程学院
专业遥感科学与技术
学生姓名（02117017）
（02117019）
（02117024）
老师姓名朱天桥老师
题目一：基于PSpice仿真的振幅调制电路设计
1.1基本要求
参考教材《射频电路基础》第五章振幅调制与解调中有关差分对放大器调幅和二极管调幅的原理，选择元器件、调制信号和载波参数，完成PSpice电路设计、建模和仿真，实现振幅调制信号的输出和分析。

1.2实践任务
(1)选择合适的调制信号和载波的振幅、频率，通过理论计算分析，正确选择晶体管和其它元件；搭建单端输出的差分对放大器，实现载波作为差模输入电压，调制信号控制电流源情况下的振幅调制；调整二者振幅，实现基本无失真的线性时变电路调幅；观察记录电路参数、调制信号、载波和已调波的波形和频谱。

(2)参考例5.3.1，修改电路为双端输出，对比研究平衡对消技术在该电路中的应用效果。

(3)选择合适的调制信号和载波的振幅、频率，通过理论计算分析，正确选择二极管和其它元件；搭建单二极管振幅调制电路，实现载波作为大信号，调制信号为小信号情况下的振幅调制；调整二者振幅，实现基本无失真的线性时变电路调幅；观察记录电路参数、调制信号、载波和已调波的波形和频谱。

(4)参考例5.3.2，修改电路为双回路，对比研究平衡对消技术在该电路中的应用效果。

摘要
此次振幅调制电路仿真设计基于PSpice，利用其丰富的仿真元器件库和强大的行为建模工具，分别设计了差分对放大器和二极管振幅调制电路，由此对线性时变电路调幅有了更进一步的认识；同时，通过平衡对消技术分别衍生出双端输出的差分对放大器和双回路二极管振幅调制电路，消除了没用的频率分量，从而得到了更好的调幅效果。

仿真过程中对器件有一定的要求，相同类型的不同型号的器件有可能导致完全不同的结果，因此本设计通过对实验原理的深入研究和对器件特性的全面解释对上述问题予以分析。

关键词：振幅调制PSpice差分对放大器二极管振幅调制电路平衡对消技术
理论分析与仿真分析
1、单端输出的差分对放大器
单端输出的差分对放大器调幅原理电路如图1所示，V2为载波作为差模输入电压，在交流通路中加在晶体管Q1和Q2的基极之间；V1为调制信号控制电流源的电流，即晶体管Q3的集电极电流。

根据差分对放大器的电流方程，有：
(1)
其中，UT为热电压。

对电流源进行分析可得到：
(2)
代入（1）式
(3)
其中
以下分三种情况讨论I0(t)和g(t)中的双曲正切函数。

(1)当Ucm<UT时，差动放大器工作在线性区，双曲正切函数近似为其自变量
(2)当Ucm>4UT时，差动放大器工作在开关状态，双曲正切函数的取值为1或-1，即
其中，k2(wct)称为双向开关函数，其傅里叶级数展开式为
（3）当Ucm的取值介于情况（1）和（2）之间时，差动放大器工作在非线性区，双曲正切函数可以展开成傅里叶级数:
情况（1）下，ic1中包含频率为wc、wc、+Ω的载频分量和上下边频分量。

情况（2）和（3）下，ic1中包含频率为(2n-1)wc、(2n-1)wc+Ω（n=1,2,3，…）的载频分量和上下边频分量。

无论哪种情况都可以滤波输出普通调幅信号。

以下对各处波形做一分析：
载波：频率fc=5MHz幅度可以在线性区、开关区、非线性区调整。

频谱：为单频率5MHz
调制信号：频率：fΩ=100kHz幅度2V。

频谱：为单频率100KHz
得到的输出已调波分为以下三种情况：
（1）U2<0.026V时，为线性区；
频谱：为三条谱线，除了载频分量，还分别有上边频和下边频。

此时调制效果最佳。

（2）U2>0.026*4V时，为开关区；
频谱：开关区所用到的开关函数有许多频率分量，LC滤波器很难完全滤除无用频率分量，因此会使波形略有失真。

（3）U2介于其间时，为非线性区；
频谱：非线性区同样含有无数频率分量，同样会给调幅波造成失真。

由上可见，无论哪种情况都可以滤波输出普通调幅信号，其频谱也相近。

2、双端输出的差分对放大器
双端输出的差分对放大器调幅电路如图2所示。

其中U2=uΩ=UΩm cosΩt，
U1=U
C =Ucmcosw
C
t。

根据差分对放大器的电流方程，晶体管V1和V2的集电极电流分别为
其中，晶体管提供电流源电流：
ic1和ic2各个电流成分在电路中的分布如上图（b）所示，输出电流：
将在LC并联谐振回路上产生输出电压uo，而ic1和ic2各自的ic
3
/2在LC回
路中流向相反，产生的电压反向抵消，实现平衡对消，在uo中去除了载频分量。

在UΩm<U
T
时，有：
其中包括频率为wc±Ω的上、下边频分量，对其滤波输出双边带调幅信号；当U
Ωm<U
T 条件不满足时，它包含UΩ的谐波分量，和U
c
相乘后频谱分布在wc±Ω附
近，如果滤波输出，则将是双边带调幅信号发生线性失真。

以下对已调波做一分析：
（1）U2<0.026V时，为线性区；
频谱：输出结果是对称的上下边频分量，此时输出的双边带信号失真最小，调幅效果最佳。

（2）U2>0.026*4V时，为开关区；（注：输出波形略有限幅）
频谱：（注：输出双边带频谱又夹杂了相邻边带分量）
（3）U2介于其间时，为非线性区；
频谱：非线性函数使上下边频又引入相邻的频率分量，但是通过平衡对消基本上使得双边带信号没有太大的失真。

由上可见，由于应用了平衡对消技术，不论差分对放大器处于何种状态，都能够输出双边带已调波，提高了调幅电路的性能和效果。

3、单二极管振幅调制电路
单二极管振幅调制电路如图3所示。

当二极管两端的电压U D大于二极管的导通电压时，二极管导通，流过二极管的电流与加在两端的电压成正比；当二极管两端的电压U D小于二极管的导通电压时，二极管截止，电流为0；二极管等效为一个受控开关。

控制电压为二极管两端电压U D。

当Ucm>>UΩm且Ucm为大信号（>0.5V）时，可进一步认为二极管的通断主要由Uc控制。

一般情况下二极管的开启电压UP较小，有Ucm>>UP，可令UP近似为0或在电路中加一固定偏置电压来抵消U。

忽略输出电压的反作用，用开
P
关函数分析法则可得到
以下对单二极管振幅调制电路的已调波做一分析：
频谱：单二极管振幅调制会使得输出含有难以滤除的低频分量，导致普通调幅信号的失真。

如果将二极管换成1N4376，得到的波形如下：
可见，输出有很大的失真。

这是因为180NQ045是肖特基整流二极管，它的快恢复性和极小的漏电流特性，适应很高的开关频率，使得其在二极管振幅调制电路中能够实现调制。

而1N4376为一般的快速二极管，从上图可知，在调制过程中，只能保留调制信号的一半的包络，另一半由于恢复特性差而不能调制。

4、双回路二极管振幅调制电路
双回路二极管振幅调制电路如图4所示。

该电路由两个性能一致的二极管及中心抽头变压器Tr1、Tr2接成平衡电路。

电路上下两部分完全一样。

控制信号（载波信号）加在两个变压器的中心抽头处，输入信号（调制信号）接在输入变压器，即载波信号同相加到D1、D2上；调制信号u2反相加到D1、D2上输出变压器接滤波器，用以滤除无用的频率分量。

由于加到两个二极管的控制电压是同相的，利用开关函数分析法，可得到负载上总电流为
由此可得：
与单二极管电路相比，i含有频谱：Ω、ω1±Ω、3ω1±Ω、……，经中心角频率为ωc的3dB带宽为2Ω的LC带通滤波器后，可在负载RL得到频谱ωc ±Ω电压分量，可见是实现了普通调制。

而如果经中心角频率为3ωc的3dB 带宽为2Ω的LC带通滤波器后，可在负载RL得到频谱3ωc±Ω电压分量，可见是实现了双边带调制。

这是不难理解的，由于控制电压uC同相地加在两个二极管的两端。

当电路完全对称时，两个相等的ωC分量互相抵消，因此在输出中不再有ωC及其谐波分量。

即在输出中，不必要的频率分量进一步减少了。

以下对双回路二极管振幅调制电路的已调波做一分析：
频谱：通过平衡对消，将低频无用的频率分量滤除，得到比较理想的普通调幅信号，波形失真减少。

如果将二极管换成180NQ045，得到的波形如下：
可见，由于采用了平衡对消技术，将1N4376的输出无用分量全部抵消，所以能够实现普通调幅，反而肖特基二极管不能胜任了。