談集成模擬乘法器調幅電路系統(tǒng)

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摘要：在敘述調幅電路理論的基礎上，提出集成模擬乘法器的調幅電路設計，建立了PSPICE的子電路模型。將模型添加至PSPICE模型數據庫中，實現了高效率傳輸過程。四象限模擬乘法器電路的設計實現了因電壓與電流的變化而導致乘法器出現精準度不足的問題。通過對電路系統(tǒng)進行仿真研究，滿足了大眾的需求，具有重要的研究意義。

關鍵詞：集成模擬乘法器；調幅電路；PSPICE子電路模型；四象限

引言

自改革開放以來，我國經濟與科技迅速發(fā)展，漸漸地以網絡取代書信的方式進行溝通與交流，給人們帶來了極大的方便，不需要快馬加鞭，一通電話即可解決問題。近年來，在現代科學技術中，傳送信息的信號出現了問題，傳送信息過程中只有輸送高頻信號才可以輸送成功，而電路通常發(fā)出的信號為低頻信號，為了解決該問題，研究中加入振幅調制電路可有效緩解，故通過該系統(tǒng)的調制和解調過程來設計電路。

1調幅電路理論知識

1．1調幅電路的基本概念

調幅電路也就是人們通常講的中波，它的范圍通常在530－1600kHz之間上下浮動，浮動的范圍不超過這個區(qū)間。調幅實際上是一種電信號，將聲音的高低變化變化為幅度，通常它傳輸的距離可以達到很遠，但是極易受天氣因素的影響而造成傳輸距離出現改變，目前調幅電路應用于簡單的通信設備當中［1］。

2集成模擬乘法器的調幅電路基本原理

2．1模擬乘法器的原理

模擬乘法器的原理指的是對兩個模擬信號（電壓或電流）實現相乘功能的有緣非線性器件。它實際上是指兩個本來毫無關系的信號通過模擬乘法器進行相乘運算，也就是輸出信號與輸入信號相乘的積成正比。模擬乘法器有兩個輸入端口，分別是X輸入端口以及Y輸入端口。模擬乘法器特有的兩個輸入信號的極性各有各的不同，模擬乘法器坐標平面利用的是X軸與Y軸，將平面直角坐標系分為四個象限，其中，當信號僅靠某個極性電壓才可以進行工作時，那么該模擬乘法器成為單象限乘法器；若信號中的一個可以使用兩種電壓，兩種電壓分別為正電壓以及負電壓，而信號當中的另一個僅可以工作于一種電壓，那么該模擬乘法器稱為二象限乘法器；兩個信號均可以適應四種極性組合時，該模擬乘法器成為四象限乘法器［2］。通過電路原理表達式對模擬乘法器進行了一系列測試。模擬乘法器及測試電路，如圖1所示。

2．2乘法器調幅電路的模擬與實現

通過圖1的一系列測試之后，將電路的正負電壓設置為12V，向其中輸入正弦信號，輸入X軸的電壓頻率為500kHz、幅值為3V；Y軸電壓頻率為20kHz，幅值為0．1V。經過PSPICE電路模擬電路得出的模擬結果，如圖2所示。

3集成模擬乘法器的調幅電路架構分析

3．1調幅電路的構成及說明

該調幅電路采用的是基于集成模擬乘法器的方式構建電路，其中集成模擬乘法器的型號為MC1496，構建過程中集成模擬乘法器MC1496采用的電路為雙邊帶振幅調制電路（DSB－AM），該電路的供電方式采用的是雙電源供電方式，極大程度的減少因供電不足而引發(fā)的一系列問題，也可以在電路中設置芯片的基極直流電流，以此來保證集成模擬乘法器在運行過程中可以工作于線性動態(tài)范圍，該過程會出現反饋電阻，該電阻在電路中起到提供偏置電壓的作用，線性范圍會隨著反饋電阻的增大而增大，但隨之而來的是集成模擬乘法器的增益減小。為了保證晶體管的放大狀態(tài)，乘法器的各管腳應保持在U1＝U4，U8＝U10，U6＝U12的電流狀態(tài)，MC1496構成的雙邊帶振幅調制電路，如圖3所示。根據圖3中的電阻元件以及電容元件的數值，得出了靜態(tài)下偏置電壓的準確數值。其中偏置電壓的數值，如圖4所示。根據結果所示，該電路無論是溫度的改善情況還是載波信號的抑制過程都具有較好的性能。

3．2創(chuàng)建PSPICE子電路模型

為了集成模擬乘法器可以供系統(tǒng)設計人員更好地使用，特別創(chuàng)建了PSPICE子電路模型，當系統(tǒng)設計人員需要使用集成模擬乘法器時，像使用普通器件一樣直接從PSPICE的模型數據中調用創(chuàng)建成功的子電路模型即可，該子電路具有生成電連接網表文件以及子電路模型描述文件的功能，還可以將其本身添加到PSPICE的數據中，并且在其中建立屬于自己特有的器件符號，SUBCKT是該電路的關鍵詞，子電路的名稱叫做Mu1tiplier。Mu1tiplier器件符號［3］，如圖5所示。該子電路模型還可以對模型庫進行配置文件，方便系統(tǒng)隨時調用子電路模型。庫文件配置窗口，如圖6所示。

3．3子電路實際應用

“立方器”電路設計“立方器”電路設計實際上是將兩個集成模擬乘法器串聯在一起，即可形成簡單的立方器，該乘法器的子電路模型在Capture中調用的立方器電路。調用子電路的立方器電路，如圖7所示。該電路設計采用的圖1的原始電路圖，電路中設計的重復單元采用子電路，有利于降低設計過程中出現的失誤問題，也可以減少設計的時間，該電路的設計對集成模擬乘法器的調幅電路系統(tǒng)研究過程有重要意義。

4集成模擬乘法器的調幅電路硬件設計

4．1模擬乘法器／模擬除法器

該設計比較常用，實現了模擬乘法器以及模擬除法器一體化形式，該電路將A1、A2、A3設計為對數放大器、將T1、T3上的be結串聯在一起，即可形成加法運算裝置，當A1、A3輸出之后將對反對數放大器A4起驅動作用，從而產生Vx與Vy之積，將得出的乘積稱為V0。在保證對數放大器穩(wěn)定反饋的同時，保護二極管中的對數晶體管不受損傷。模擬乘法器／除法器電路［4］，如圖8所示。

4．2四象限模擬乘法器電路

該電路設計的目的是為了解決因晶體管具有的單向導電性所造成的放大器只能輸入正負電壓的問題，仿照三極管放大交流信號的方式給放大器加入偏置電壓，這樣的方法使晶體管即使輸入的電壓信號為負電壓，也可以保證晶體管正向導通，從而完成電路運算模式。該電路中的R5、R6、R7等符號皆表示電阻信號，其作用是調整零位以及當幅度顯示已滿，及時將其結果輸出，此步驟對于系統(tǒng)能否制作出高密度的精準模擬乘法器至關重要。四象限模擬乘法器電路［5］，如圖9所示。

5集成模擬乘法器的調幅電路實際運用

5．1模擬乘法器的調幅電路仿真分析

集成模擬乘法器正常調幅電路使用過程中可以看出高頻率載波信號的振幅是隨著調制信號變化過程中不斷上下浮動而變化的，變化的規(guī)律周期近乎相同，將高頻率的載波信號振幅變化規(guī)律設置成與低頻信號相同，可以加強信號的頻率幅度，從而實現信號的幅度調制，而調幅變化的過程中，波形也隨之變化，通過仿真開關即可看出調制狀態(tài)。集成模擬乘法器正常調幅電路，如圖10所示。集成模擬乘法器平衡調幅電路仿真分析過程中可以看出，正常調幅電路的直流電壓為0時，即可實現平衡調幅電路，該電路的波形不同于正常調幅電路，有著自己獨特的特點，當該電路進行調幅過程后，載頻兩側的上下邊頻振幅相等，平衡后的信號中不含有載波信號。

5．2模擬乘法器的調幅電路實時監(jiān)控

通過上述分析得知，想要設計出好的集成模擬乘法器的調幅電路系統(tǒng)，還需要從如下4個方面對電路進行實時監(jiān)控。

5．2．1對數晶體管的電流限制集成模擬乘法器的調幅電路系統(tǒng)應具有極高的準確性，才可以被大眾所接受，想要實現電路系統(tǒng)的精準度，需要將電壓與電流形成對數關系，限制晶體管的電極電流的數值，將電流限制在1nA～1mA這個范圍內，即可保證乘法器的精準度。雙極性晶體管有兩個PN結，它具有反向偏置電壓，當電壓過大時可造成反向擊穿的危險現象，影響其對數性能，此時，應采取加入二極管的有效措施，避免發(fā)生更大的損害，從而影響系統(tǒng)的研究方向。

5．2．2對數晶體管、電阻等元器件的匹配性要求模擬乘法器進行運算過程中，需要對數晶體管的性能參數匹配程度高達100％，才可以進行高精度運算，因此計算過程中應加入集成電路，選取專用的對數晶體管陳列，只有陳列的高配置晶體管才可以滿足該設計的理想化要求。相比之下電路中的電阻元件的精度也十分重要，電阻的選用既要精度高，同時溫度穩(wěn)定性也要好，該電阻的精度應控制在0．1％，否則將會出現極大的誤差。

5．2．3對數放大器的反饋穩(wěn)定性通常對數放大器的穩(wěn)定性較差，其原因是因為它的系統(tǒng)中反饋網絡屬于非線性結構，電壓的增益效果極低，因此，需要對對數放大器進行穩(wěn)定性設計。為了使對數放大器的反饋穩(wěn)定性加強，特將電路中加入電容以及電阻元素作為穩(wěn)定性補償，效果顯著。

5．2．4零位調整網絡零位調整是模擬乘法器中的關鍵步驟，倘若電路中的四個對數晶體管不完全匹配，會造成電阻的阻值發(fā)生離散性擴散，運算結果出現誤差。模擬乘法器輸入信號的幅度值與輸出信號成正比關系，輸入信號幅值越小，輸出信號幅值也越小，因此系統(tǒng)需要及時對電路進行零位調整。

5．3模擬乘法器的應用

隨著電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用日益廣泛，造成電網中的電壓以及電流出現較大變化，因此深入系統(tǒng)了解調幅電路具有重要意義。集成模擬乘法器的應用越來越廣泛，更是成為了電子式電能表中不可或缺的組成部分。隨著集成模擬乘法器技能的逐步完善，使它的應用范圍一度超過了模擬計算機的范圍，集成模擬乘法器系統(tǒng)中的運算模式目前被使用于信號的處理、測量數據的設備以及通信工程和自動控制領域等科技發(fā)展領域之中，在其中充當著核心角色，為未來發(fā)展提供有利數據。

6總結

集成模擬乘法器的調幅系統(tǒng)應用范圍廣、領域多，幾乎所有的科技系統(tǒng)均可以應用該電路系統(tǒng)，使用該電路可以建立你所需要的子電路模型，將其與其他模型庫建立聯系有利于新產品的推廣，很大程度上減少了人力物力的重復勞動，更加減少了設計過程中出現的誤差問題。從高頻率的載波信號變化過程也可以看出，該集成模擬乘法器是一個線性變換的器件，該設計實現了信號的調幅過程，具有電路簡單易操作以及可靠性高等特點，具有一定的研究意義。

參考文獻

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［5］李小兵．基于模擬乘法器和同步檢波電路的研究［J］．無線互聯科技，2015（4）：122－124．

作者：魏博謇 單位：榆林職業(yè)技術學院