通信電子電路中二極管的頻率變換功能

摘要：晶體二極管是一種簡單實用的通信電子器件。通過分析其單向?qū)щ娦耘c壓控電容特性，認(rèn)為在通信電子電路中使用晶體二極管主要有三種典型的頻率變換功能，即在振幅檢波電路中的整流作用，在混頻電路中的開關(guān)作用以及在調(diào)頻電路中的變?nèi)葑饔谩?br /> 關(guān)鍵詞：晶體二極管；頻率變換；單向?qū)щ娦裕粔嚎仉娙萏匦?br />
    晶體二極管是通信電子電路中常用的非線性電子元器件。由于具有非線性特性，在其兩端加上交變信號后，輸出信號中會產(chǎn)生新的頻率成分，這就是二極管的頻率變換功能。不同類型的二極管具有不同的電特性，在通信電子電路中，利用這些電特性，靈活地設(shè)計電路，使二極管的頻率變換功能得到充分的應(yīng)用。如在檢波電路中作為整流器件，在混頻電路中作為開關(guān)器件，以及在直接或間接調(diào)頻電路中作為變?nèi)萜骷?。在這些電路中，二極管作為起主要作用的器件，使通過電路的信號頻率均發(fā)生了不同類型的改變。

1 二極管的單向?qū)щ娦约皦嚎仉娙萏匦?br /> 1．1 二極管的單向?qū)щ娦?br />     晶體二極管的單向?qū)щ娦灾饕蓸?gòu)成它的PN結(jié)的單向?qū)щ娦詻Q定。當(dāng)PN結(jié)加的正向電壓大于它的導(dǎo)通電壓時，可以形成較大的正向電流，此時其導(dǎo)通電阻很?。欢拥姆聪螂妷盒∮谒膿艨针妷簳r，反向電流很小，此時它所表現(xiàn)的反向電阻非常大。
1．2 二極管的壓控電容特性
    晶體二極管的PN結(jié)電容包括擴(kuò)散電容和勢壘電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容起主要作用，而當(dāng)PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用。二極管反偏時，勢壘電容的大小不僅與自身結(jié)構(gòu)和制造工藝有關(guān)，還隨加在它兩端的電壓在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，這種變?nèi)萏匦苑Q為二極管的壓控電容特性。由此可知，用作變?nèi)荻O管時，其兩端所加的靜態(tài)工作點電壓應(yīng)為負(fù)值，同時保證靜態(tài)電壓與調(diào)制電壓之和始終為負(fù)值，此時結(jié)電容Cj隨加在其上的調(diào)制信號電壓的變化而變化。

2 二極管的頻率變換功能在通信電子電路中的應(yīng)用
    由于二極管的單向?qū)щ娦砸约皦嚎仉娙莸奶匦?，使得它在通信電子電路中得到了廣泛的應(yīng)用。如在包絡(luò)檢波電路中作為整流二極管將通過電路的高頻載波濾除，得到低頻調(diào)制信號；在二極管混頻電路中作為開關(guān)二極管，使加在電路中不同頻率的兩個信號實現(xiàn)混頻；在角度調(diào)制電路中作為變?nèi)荻O管，可使振蕩電路的頻率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)調(diào)頻。
2．1 包絡(luò)檢波電路中的整流二極管
    串聯(lián)式二極管大信號包絡(luò)檢波電路由二極管V和RC低通濾波器串聯(lián)組成，如圖1(a)所示。電路中R是負(fù)載電阻，它的數(shù)值較大；C為負(fù)載電容，它的取值應(yīng)當(dāng)使得對高頻信號而言，阻抗遠(yuǎn)小于R，可視為短路，而對低頻調(diào)制信號，其阻抗則遠(yuǎn)大于R，相當(dāng)于開路。

    大信號的檢波過程，主要是利用二極管的單向?qū)щ娦院拓?fù)載．RC的充放電過程來實現(xiàn)的。假設(shè)初始時刻電容C上沒有儲能，在如圖1(b)所示的角頻率為ωc激勵信號us的作用下，在us的正半周內(nèi)二極管導(dǎo)通，us通過二極管V向電容C充電，由于二極管的單向?qū)щ娦?，其正向?qū)娮鑢d很小(rd<<R)，充電時間常數(shù)rdC也較??；當(dāng)us由最大值下降到小于電容器上的電壓時，二極管因其所加電壓為負(fù)而處于截止?fàn)顟B(tài)，電容C通過電阻R放電，放電時間常數(shù)為RC。由于R>>rdC，所以二極管導(dǎo)通時充電很快，而截止時放電很慢；當(dāng)電容器上電壓下降不多時，us下一個正半周的電壓又超過二極管負(fù)端的電壓，使電容器又快速充電，如此反復(fù)，輸出電壓uo在這種不斷充放電的過程中逐漸增長，其在us每個周期內(nèi)導(dǎo)通的時間越來越短，流過它的電流i也越來越小，如圖1(c)所示?？梢?，只要合理選擇RC和二極管V的參數(shù)，使充電時間常數(shù)足夠小而放電時間常數(shù)足夠大，就可使電容C兩端的輸出電壓uo的幅度與輸入電壓us的幅度相當(dāng)接近，可看成與高頻調(diào)幅波包絡(luò)基本一致，從而實現(xiàn)包絡(luò)檢波。
    用二極管構(gòu)成的包絡(luò)檢波器由于電路簡單，性能優(yōu)越，在通信電子電路的信號解調(diào)中應(yīng)用很廣泛。如直接用于普通調(diào)幅波的解調(diào)；在單邊帶和雙邊帶疊加型同步檢波電路中先將需解調(diào)的調(diào)幅信號與同步信號進(jìn)行疊加，再用二極管包絡(luò)檢波電路進(jìn)行解調(diào)；以及斜率鑒相器中先將等幅調(diào)頻信號進(jìn)行頻率一振幅線性變換，得到幅度也與頻率成正比變化的調(diào)幅一調(diào)頻信號，然后用二極管包絡(luò)檢波器還原出原調(diào)制信號。
2．2 混頻電路中的開關(guān)二極管
    晶體二極管單向?qū)щ娦员憩F(xiàn)為外加正向電壓時導(dǎo)通，外加反向電壓時截止，所以它相當(dāng)于一個受外加大信號電壓(電壓大于0．5 V)極性控制的開關(guān)。在高頻電路中，作為一種開關(guān)器件，其開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度越快越好。如圖2所示，為由四個工作于開關(guān)狀態(tài)的二極管組成的二極管環(huán)形混頻器，圖2(a)為環(huán)形畫法，圖2(b)是雙平衡相乘器畫法。不難看出，它們其實描述的是同一種電路。

    在環(huán)形混頻器中，兩個變壓器均為中心抽頭。其中u1=U1mcosω1t為大信號本振電壓，二極管在其作用下工作于開關(guān)狀態(tài)，而u2=U2mcos ω2t為小信號，二極管的導(dǎo)通與截止與它的關(guān)系不大。當(dāng)u1處于正半周時，二極管V1和V2導(dǎo)通，V3和V4截止，此時流過輸出變壓器一次側(cè)的電流為：

    分析上式可以得出，輸出電流中含有ω1各奇次諧波與ω2的組合頻率分量，當(dāng)ω1較高時，其中除有用分量ω1±ω2外，其余3ω1±ω2及其以上組合頻率分量很容易被濾除，因而二極管環(huán)形混頻器的混頻功能較為理想。
    二極管環(huán)形混頻器具有電路簡單，噪聲低，動態(tài)范圍大，工作頻帶寬等優(yōu)點，其工作頻率可從幾十千赫到幾千兆赫，因而廣泛應(yīng)用于各種通信電子設(shè)備中，不僅在混頻電路，在振幅調(diào)制與解調(diào)、相位檢波等電路中應(yīng)用也比較多。
2．3 調(diào)頻電路中的變?nèi)荻O管
    實現(xiàn)頻率調(diào)制就是使載波頻率隨調(diào)制信號成線性關(guān)系變化，要完成這一功能可采取直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩種方法。直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其與調(diào)制信號成線性關(guān)系變化；間接調(diào)頻則是利用調(diào)頻波與調(diào)相波之間的關(guān)系，先對調(diào)制信號進(jìn)行積分，然后用它對載波進(jìn)行調(diào)相，從而獲得調(diào)頻信號。
2．3．1 變?nèi)荻O管的電路性能分析
    根據(jù)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨反向偏壓變化的特性，將其接到調(diào)頻或調(diào)相電路的諧振回路中，作為可控電容元件，回路的電容量會明顯地隨調(diào)制電壓而變化，從而改變振蕩頻率或相位，達(dá)到直接或間接調(diào)頻的目的。如圖3所示為諧振回路中的變?nèi)荻O管，其中圖3(a)為整個諧振回路基本電路，圖3(b)為變?nèi)荻O管交流通路，圖3(c)為變?nèi)荻O管直流通路。

    結(jié)電容Cj與其兩端所加電壓u之間有如下關(guān)系：
   
    式中：UB為PN結(jié)的勢壘電位差；Cj0為u=0時的結(jié)電容；γ為變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化指數(shù)，它取決于二極管的制造工藝。
    靜態(tài)工作點為UQ時，變?nèi)荻O管的結(jié)電容為：
   
    設(shè)加在變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號為uΩ(t)=UΩmcosΩt，將其代入公式(2)中，得Cj=CjQ(1+mccosΩt)-γ，其中，稱為變?nèi)荻O管的電容調(diào)制度。
2．3．2 變?nèi)荻O管的調(diào)頻性能分析
    在圖3(b)中，由于振蕩器的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，所以諧振頻率為：

    振蕩頻率與調(diào)制信號uΩ(t)成正比，從而可實現(xiàn)理想的線性調(diào)頻。
2．3．3 變?nèi)荻O管的調(diào)相性能分析
    在變?nèi)荻O管調(diào)相電路中，變?nèi)莨蹸j與電感L構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。當(dāng)未加調(diào)制電壓時，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj與電感所決定的諧振頻率為。
    令載波角頻率ωc=ω0，則此時回路在ωc上的阻抗幅值最大，相移為零。當(dāng)變?nèi)荻O管Cj上加載調(diào)制電壓時，回路的諧振角頻率ω0發(fā)生變化，并聯(lián)諧振回路的幅頻和相頻特性都將在頻率軸上移動。當(dāng)Cj增大時，并聯(lián)回路的諧振角頻率下降為ω01，對應(yīng)的幅頻與相頻特性都向左移，相對于載波角頻率ωc處，回路阻抗幅值下降，相移減小為φ1是負(fù)值；而當(dāng)Cj減小時，并聯(lián)回路的諧振角頻率升高為ω02，對應(yīng)的幅頻與相頻特性都向右移，相對于載波角頻率ωc處，回路阻抗幅值也下降，但相移增大為φ2是正值。
    由此，當(dāng)載波角頻率ωc保持不變時，由于Cj隨著調(diào)制信號的變化，使得并聯(lián)回路兩端的輸出電壓的幅度和相位均作相應(yīng)的變化，其中相位的變化圍繞著零值做正負(fù)變化，從而達(dá)到了調(diào)相的目的。根據(jù)間接調(diào)頻的概念，利用積分后的調(diào)制信號去控制調(diào)相電路的變?nèi)荻O管，對原調(diào)制信號而言，相當(dāng)于對載波進(jìn)行調(diào)頻。

3 結(jié)語
    二極管在通信電子電路中的應(yīng)用比較廣泛，除了本文分析的頻率變換功能之外，二極管在通信電路中還可作為限幅管在調(diào)頻波的發(fā)送與接收中限制載波的幅度，以得到等幅正弦波，還可作為各種差分電源的穩(wěn)壓管等。熟悉二極管的不同應(yīng)用，對于分析整個電路的功能有很大的幫助。