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。通過分析其單向導電性與壓控電容特性，認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作用以及在調頻電路中的變容作用。
關鍵詞：晶體二極管；頻率變換；單向導電性；壓控電容特性

    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，靈活地設計電路，使二極管的頻率變換功能得到充分的應用。如在檢波電路中作為整流器件，在混頻電路中作為開關器件，以及在直接或間接調頻電路中作為變容器件。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 二極管的單向導電性及壓控電容特性
1．1 二極管的單向導電性
    晶體二極管的單向導電性主要由構成它的PN結的單向導電性決定。當PN結加的正向電壓大于它的導通電壓時，可以形成較大的正向電流，此時其導通電阻很小；而加的反向電壓小于它的擊空電壓時，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結電容包括擴散電容和勢壘電容。當PN結正偏時，擴散電容起主要作用，而當PN結反偏時，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構和制造工藝有關，還隨加在它兩端的電壓在較大的范圍內發(fā)生變化，這種變容特性稱為二極管的壓控電容特性。由此可知，用作變容二極管時，其兩端所加的靜態(tài)工作點電壓應為負值，同時保證靜態(tài)電壓與調制電壓之和始終為負值，此時結電容Cj隨加在其上的調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用
    由于二極管的單向導電性以及壓控電容的特性，使得它在通信電子電路中得到了廣泛的應用。如在包絡檢波電路中作為整流二極管將通過電路的高頻載波濾除，得到低頻調制信號；在二極管混頻電路中作為開關二極管，使加在電路中不同頻率的兩個信號實現(xiàn)混頻；在角度調制電路中作為變容二極管，可使振蕩電路的頻率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)調頻。
2．1 包絡檢波電路中的整流二極管
    串聯(lián)式二極管大信號包絡檢波電路由二極管V和RC低通濾波器串聯(lián)組成，如圖1(a)所示。電路中R是負載電阻，它的數(shù)值較大；C為負載電容，它的取值應當使得對高頻信號而言，阻抗遠小于R，可視為短路，而對低頻調制信號，其阻抗則遠大于R，相當于開路。

    大信號的檢波過程，主要是利用二極管的單向導電性和負載．RC的充放電過程來實現(xiàn)的。假設初始時刻電容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的正半周內二極管導通，us通過二極管V向電容C充電，由于二極管的單向導電性，其正向導通電阻rd很小(rd<<R)，充電時間常數(shù)rdC也較小；當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而處于截止狀態(tài)，電容C通過電阻R放電，放電時間常數(shù)為RC。由于R>>rdC，所以二極管導通時充電很快，而截止時放電很慢；當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端的電壓，使電容器又快速充電，如此反復，輸出電壓uo在這種不斷充放電的過程中逐漸增長，其在us每個周期內導通的時間越來越短，流過它的電流i也越來越小，如圖1(c)所示。可見，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的幅度相當接近，可看成與高頻調幅波包絡基本一致，從而實現(xiàn)包絡檢波。
    用二極管構成的包絡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中應用很廣泛。如直接用于普通調幅波的解調；在單邊帶和雙邊帶疊加型同步檢波電路中先將需解調的調幅信號與同步信號進行疊加，再用二極管包絡檢波電路進行解調；以及斜率鑒相器中先將等幅調頻信號進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幅一調頻信號，然后用二極管包絡檢波器還原出原調制信號。
2．2 混頻電路中的開關二極管
    晶體二極管單向導電性表現(xiàn)為外加正向電壓時導通，外加反向電壓時截止，所以它相當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。在高頻電路中，作為一種開關器件，其開關轉換的速度越快越好。如圖2所示，為由四個工作于開關狀態(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狀態(tài)，而u2=U2mcos ω2t為小信號，二極管的導通與截止與它的關系不大。當u1處于正半周時，二極管V1和V2導通，V3和V4截止，此時流過輸出變壓器一次側的電流為：

    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，因而廣泛應用于各種通信電子設備中，不僅在混頻電路，在振幅調制與解調、相位檢波等電路中應用也比較多。
2．3 調頻電路中的變容二極管
    實現(xiàn)頻率調制就是使載波頻率隨調制信號成線性關系變化，要完成這一功能可采取直接調頻和間接調頻兩種方法。直接調頻就是用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其與調制信號成線性關系變化；間接調頻則是利用調頻波與調相波之間的關系，先對調制信號進行積分，然后用它對載波進行調相，從而獲得調頻信號。
2．3．1 變容二極管的電路性能分析
    根據(jù)變容二極管的結電容隨反向偏壓變化的特性，將其接到調頻或調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制電壓而變化，從而改變振蕩頻率或相位，達到直接或間接調頻的目的。如圖3所示為諧振回路中的變容二極管，其中圖3(a)為整個諧振回路基本電路，圖3(b)為變容二極管交流通路，圖3(c)為變容二極管直流通路。

    結電容Cj與其兩端所加電壓u之間有如下關系：
   
    式中：UB為PN結的勢壘電位差；Cj0為u=0時的結電容；γ為變容二極管的結電容變化指數(shù)，它取決于二極管的制造工藝。
    靜態(tài)工作點為UQ時，變容二極管的結電容為：
   
    設加在變容二極管上的調制信號為uΩ(t)=UΩmcosΩt，將其代入公式(2)中，得Cj=CjQ(1+mccosΩt)-γ，其中，稱為變容二極管的電容調制度。
2．3．2 變容二極管的調頻性能分析
    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：

    振蕩頻率與調制信號uΩ(t)成正比，從而可實現(xiàn)理想的線性調頻。
2．3．3 變容二極管的調相性能分析
    在變容二極管調相電路中，變容管Cj與電感L構成并聯(lián)諧振回路。當未加調制電壓時，由變容二極管的結電容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。當變容二極管Cj上加載調制電壓時，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Cj增大時，并聯(lián)回路的諧振角頻率下降為ω01，對應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是負值；而當Cj減小時，并聯(lián)回路的諧振角頻率升高為ω02，對應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，當載波角頻率ωc保持不變時，由于Cj隨著調制信號的變化，使得并聯(lián)回路兩端的輸出電壓的幅度和相位均作相應的變化，其中相位的變化圍繞著零值做正負變化，從而達到了調相的目的。根據(jù)間接調頻的概念，利用積分后的調制信號去控制調相電路的變容二極管，對原調制信號而言，相當于對載波進行調頻。

3 結語
    二極管在通信電子電路中的應用比較廣泛，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用，對于分析整個電路的功能有很大的幫助。