集成模拟乘法器的调幅电路系统研究

魏博謇

(榆林职业技术学院 机电工程系， 陕西 榆林 719000)

0 引言

自改革开放以来，我国经济与科技迅速发展，渐渐地以网络取代书信的方式进行沟通与交流，给人们带来了极大的方便，不需要快马加鞭，一通电话即可解决问题。近年来，在现代科学技术中，传送信息的信号出现了问题，传送信息过程中只有输送高频信号才可以输送成功，而电路通常发出的信号为低频信号，为了解决该问题，研究中加入振幅调制电路可有效缓解，故通过该系统的调制和解调过程来设计电路。

1 调幅电路理论知识

1.1 调幅电路的基本概念

调幅电路也就是人们通常讲的中波，它的范围通常在530-1 600 kHz之间上下浮动，浮动的范围不超过这个区间。调幅实际上是一种电信号，将声音的高低变化变化为幅度，通常它传输的距离可以达到很远，但是极易受天气因素的影响而造成传输距离出现改变，目前调幅电路应用于简单的通信设备当中[1]。

2 集成模拟乘法器的调幅电路基本原理

2.1 模拟乘法器的原理

模拟乘法器的原理指的是对两个模拟信号(电压或电流)实现相乘功能的有缘非线性器件。它实际上是指两个本来毫无关系的信号通过模拟乘法器进行相乘运算，也就是输出信号与输入信号相乘的积成正比。模拟乘法器有两个输入端口，分别是X输入端口以及Y输入端口。模拟乘法器特有的两个输入信号的极性各有各的不同，模拟乘法器坐标平面利用的是X轴与Y轴，将平面直角坐标系分为四个象限，其中，当信号仅靠某个极性电压才可以进行工作时，那么该模拟乘法器成为单象限乘法器；若信号中的一个可以使用两种电压，两种电压分别为正电压以及负电压，而信号当中的另一个仅可以工作于一种电压，那么该模拟乘法器称为二象限乘法器；两个信号均可以适应四种极性组合时，该模拟乘法器成为四象限乘法器[2]。

通过电路原理表达式对模拟乘法器进行了一系列测试。模拟乘法器及测试电路,如图1所示。

图1 模拟乘法器及测试电路图

2.2 乘法器调幅电路的模拟与实现

通过图1的一系列测试之后，将电路的正负电压设置为12 V，向其中输入正弦信号，输入X轴的电压频率为500 kHz、幅值为3 V；Y轴电压频率为20 kHz，幅值为0.1 V。经过PSPICE电路模拟电路得出的模拟结果,如图2所示。

图2 PSPICE模拟结果

3 集成模拟乘法器的调幅电路架构分析

3.1 调幅电路的构成及说明

该调幅电路采用的是基于集成模拟乘法器的方式构建电路，其中集成模拟乘法器的型号为MC1496，构建过程中集成模拟乘法器MC1496采用的电路为双边带振幅调制电路(DSB-AM)，该电路的供电方式采用的是双电源供电方式，极大程度的减少因供电不足而引发的一系列问题，也可以在电路中设置芯片的基极直流电流，以此来保证集成模拟乘法器在运行过程中可以工作于线性动态范围，该过程会出现反馈电阻，该电阻在电路中起到提供偏置电压的作用，线性范围会随着反馈电阻的增大而增大，但随之而来的是集成模拟乘法器的增益减小。为了保证晶体管的放大状态，乘法器的各管脚应保持在U1=U4,U8=U10,U6=U12的电流状态，MC1496构成的双边带振幅调制电路,如图3所示。

图3 MC1496构成的双边带振幅调制电路图

根据图3中的电阻元件以及电容元件的数值，得出了静态下偏置电压的准确数值。其中偏置电压的数值,如图4所示。

图4 静态偏置电压的数值

根据结果所示，该电路无论是温度的改善情况还是载波信号的抑制过程都具有较好的性能。

3.2 创建PSPICE子电路模型

为了集成模拟乘法器可以供系统设计人员更好地使用，特别创建了PSPICE子电路模型，当系统设计人员需要使用集成模拟乘法器时，像使用普通器件一样直接从PSPICE的模型数据中调用创建成功的子电路模型即可，该子电路具有生成电连接网表文件以及子电路模型描述文件的功能，还可以将其本身添加到PSPICE的数据中，并且在其中建立属于自己特有的器件符号，SUBCKT是该电路的关键词，子电路的名称叫做Mu1tiplier。Mu1tiplier器件符号[3],如图5所示。

图5 Mu1tiplier器件符号

该子电路模型还可以对模型库进行配置文件，方便系统随时调用子电路模型。库文件配置窗口,如图6所示。

图6 库文件配置窗口

3.3 子电路实际应用“立方器”电路设计

“立方器”电路设计实际上是将两个集成模拟乘法器串联在一起，即可形成简单的立方器，该乘法器的子电路模型在Capture中调用的立方器电路。调用子电路的立方器电路,如图7所示。

图7 调用子电路的立方器电路

该电路设计采用的图1的原始电路图，电路中设计的重复单元采用子电路，有利于降低设计过程中出现的失误问题，也可以减少设计的时间，该电路的设计对集成模拟乘法器的调幅电路系统研究过程有重要意义。

4 集成模拟乘法器的调幅电路硬件设计

4.1 模拟乘法器/模拟除法器

该设计比较常用，实现了模拟乘法器以及模拟除法器一体化形式，该电路将A1、A2、A3设计为对数放大器、将T1、T3上的be结串联在一起，即可形成加法运算装置，当A1、A3输出之后将对反对数放大器A4起驱动作用，从而产生Vx与Vy之积，将得出的乘积称为V0。在保证对数放大器稳定反馈的同时，保护二极管中的对数晶体管不受损伤。模拟乘法器/除法器电路[4],如图8所示。

图8 模拟乘法器/除法器电路图

4.2 四象限模拟乘法器电路

该电路设计的目的是为了解决因晶体管具有的单向导电性所造成的放大器只能输入正负电压的问题，仿照三极管放大交流信号的方式给放大器加入偏置电压，这样的方法使晶体管即使输入的电压信号为负电压，也可以保证晶体管正向导通，从而完成电路运算模式。该电路中的R5、R6、R7等符号皆表示电阻信号，其作用是调整零位以及当幅度显示已满，及时将其结果输出，此步骤对于系统能否制作出高密度的精准模拟乘法器至关重要。四象限模拟乘法器电路[5],如图9所示。

图9 四象限模拟乘法器电路图

5 集成模拟乘法器的调幅电路实际运用

5.1 模拟乘法器的调幅电路仿真分析

集成模拟乘法器正常调幅电路使用过程中可以看出高频率载波信号的振幅是随着调制信号变化过程中不断上下浮动而变化的，变化的规律周期近乎相同，将高频率的载波信号振幅变化规律设置成与低频信号相同，可以加强信号的频率幅度，从而实现信号的幅度调制，而调幅变化的过程中，波形也随之变化，通过仿真开关即可看出调制状态。集成模拟乘法器正常调幅电路,如图10所示。

图10 集成模拟乘法器正常调幅电路

集成模拟乘法器平衡调幅电路仿真分析过程中可以看出，正常调幅电路的直流电压为0时，即可实现平衡调幅电路，该电路的波形不同于正常调幅电路，有着自己独特的特点，当该电路进行调幅过程后，载频两侧的上下边频振幅相等，平衡后的信号中不含有载波信号。

5.2 模拟乘法器的调幅电路实时监控

通过上述分析得知，想要设计出好的集成模拟乘法器的调幅电路系统，还需要从如下4个方面对电路进行实时监控。

5.2.1 对数晶体管的电流限制

集成模拟乘法器的调幅电路系统应具有极高的准确性，才可以被大众所接受，想要实现电路系统的精准度，需要将电压与电流形成对数关系，限制晶体管的电极电流的数值，将电流限制在1 nA～1 mA这个范围内，即可保证乘法器的精准度。双极性晶体管有两个PN结，它具有反向偏置电压，当电压过大时可造成反向击穿的危险现象，影响其对数性能，此时，应采取加入二极管的有效措施，避免发生更大的损害，从而影响系统的研究方向。

5.2.2 对数晶体管、电阻等元器件的匹配性要求

模拟乘法器进行运算过程中，需要对数晶体管的性能参数匹配程度高达100%，才可以进行高精度运算，因此计算过程中应加入集成电路，选取专用的对数晶体管陈列，只有陈列的高配置晶体管才可以满足该设计的理想化要求。相比之下电路中的电阻元件的精度也十分重要，电阻的选用既要精度高，同时温度稳定性也要好，该电阻的精度应控制在0.1%，否则将会出现极大的误差。

5.2.3 对数放大器的反馈稳定性

通常对数放大器的稳定性较差，其原因是因为它的系统中反馈网络属于非线性结构，电压的增益效果极低，因此，需要对对数放大器进行稳定性设计。为了使对数放大器的反馈稳定性加强，特将电路中加入电容以及电阻元素作为稳定性补偿，效果显著。

5.2.4 零位调整网络

零位调整是模拟乘法器中的关键步骤，倘若电路中的四个对数晶体管不完全匹配，会造成电阻的阻值发生离散性扩散，运算结果出现误差。模拟乘法器输入信号的幅度值与输出信号成正比关系，输入信号幅值越小，输出信号幅值也越小，因此系统需要及时对电路进行零位调整。

5.3 模拟乘法器的应用

随着电力电子技术在电力系统中应用日益广泛，造成电网中的电压以及电流出现较大变化，因此深入系统了解调幅电路具有重要意义。集成模拟乘法器的应用越来越广泛，更是成为了电子式电能表中不可或缺的组成部分。随着集成模拟乘法器技能的逐步完善，使它的应用范围一度超过了模拟计算机的范围，集成模拟乘法器系统中的运算模式目前被使用于信号的处理、测量数据的设备以及通信工程和自动控制领域等科技发展领域之中，在其中充当着核心角色，为未来发展提供有利数据。

6 总结

集成模拟乘法器的调幅系统应用范围广、领域多，几乎所有的科技系统均可以应用该电路系统，使用该电路可以建立你所需要的子电路模型，将其与其他模型库建立联系有利于新产品的推广，很大程度上减少了人力物力的重复劳动，更加减少了设计过程中出现的误差问题。从高频率的载波信号变化过程也可以看出，该集成模拟乘法器是一个线性变换的器件，该设计实现了信号的调幅过程，具有电路简单易操作以及可靠性高等特点，具有一定的研究意义。