CN103095236B - 一种基于指数放大器的差频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于指数放大器的差频器，包括：第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端输入第一信号源，第一电阻的另一端接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接运算放大器的输出端，输出差频信号电压；第三电阻并联连接电容；第二电阻的一端输入第二信号源，第二电阻的另一端接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极接运算放大器的负极性输入端；运算放大器的正极性输入端接地；第一二极管的阳极接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极接第二二极管的阳极。该差频器操作容易，结构简单，可以方便的获取到稳定、精度高的差频信号，容易集成化，且降低了电路成本，满足了实际应用中的多种需要。

Description

一种基于指数放大器的差频器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于指数放大器的差频器。

背景技术

差频器为非线性器件，输出信号频率等于两输入信号频率之差。现有技术中的差频器通常为二极管差频器、平衡差频器和晶体管差频器等，都由电感和变压器等组成。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1)上述差频器的各回路之间相互影响较严重，组合频率干扰也较大，导致获取到的差频信号不稳定；

2)上述差频器的受元器件参数的离散性影响大，可处理信号的动态范围小；

3)获取到的差频信号为衰减信号，灵敏度低，难以满足实际应用中的多种需要。

发明内容

本发明提供了一种基于指数放大器的差频器，该差频器避免了组合频率的干扰，获取到稳定性较高的差频信号，详见下文描述：

一种基于指数放大器的差频器，包括：第一电阻和第二电阻，

所述第一电阻的一端接入第一信号源，所述第一电阻的另一端接第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接运算放大器的输出端，输出差频信号电压；所述第三电阻并联连接电容；

所述第二电阻的一端接入第二信号源，所述第二电阻的另一端接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极接所述运算放大器的负极性输入端；所述运算放大器的正极性输入端接地；

所述第一二极管的阳极接所述第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极接所述第二二极管的阳极。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过反并联的二极管、运算放大器、电阻和电容组成了基于指数放大器的差频器，该差频器操作容易，结构简单，可以方便的获取到稳定、精度高的差频信号，容易集成化，且降低了电路成本，扩大了信号的动态范围；通过修改第三电阻的阻值可以很容易改变差频器的增益，通过对运算放大器型号的选择可以对差频信号进行放大处理，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于指数放大器的差频器的电路原理图；

图2为本发明提供的差频器的戴维南等效电路原理图；

图3为本发明提供的差频器的另一等效电路原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

R₁：第一电阻；R₂：第二电阻；

R₃：第三电阻；A：运算放大器；

D₁：第一二极管；D₂：第二二极管；

V₁：第一信号源；V₂：第二信号源；

V_o：差频信号电压；V_I：等效信号源；

R_I：等效电阻；R_D：非线性电阻；

C：电容。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

为了避免组合频率的干扰，获取到稳定性较高的差频信号，本发明实施例提出了一种基于指数放大器的差频器，参见图1，包括：第一电阻R₁和第二电阻R₂，

第一电阻R₁的一端输入第一信号源V₁，第一电阻R₁的另一端接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极接第三电阻R₃的一端，第三电阻R₃的另一端接运算放大器A的输出端，输出差频信号电压V_o；第三电阻R₃并联连接电容C；

第二电阻R₂的一端输入第二信号源V₂，第二电阻R₂的另一端接第二二极管D₂的阴极，第二二极管D₂的阳极接运算放大器A的负极性输入端；运算放大器A的正极性输入端接地；

第一二极管D₁的阳极接第二二极管D₂阴极，第一二极管D₁的阴极接第二二极管D₂阳极。

即，第一二极管D₁和第二二极管D₂之间组成反并联电路。

下面结合图2和图3详细描述该差频器的工作原理，详见下文描述：

图1中提供的差频器通过采用戴维南定律等效为图2中的电路。由于二极管的伏安特性为

$I_D=I_S(e^{\frac{v_D}{V_S}}-1)---\left(1\right)$

其中：I_S为PN结的反向饱和电流；V_S为温度电压当量，在温度为300K(摄氏温度27℃)时约为26mV；V_D为导通电压。

当V_D>>V_S时，因此(1)式可以改写为

$I_D=I_S{e}^{\frac{V_D}{V_S}}---\left(2\right)$

因此，二极管在V_D较小时呈现强烈的非线性电阻特性，以非线性电阻R_D替代两支反向并联二极管，即第一二极管D₁和第二二极管D₂。可以将图1的原理图进一步等效成为图3所示的电路。

取R₁＝R₂＝R并令其足够小，也即R₁＝R/2<<R_D时：

$V_i=\frac{1}{2}(V_1+V_2)=V_D---\left(3\right)$ $V_O=-R_3{I}_D=-R_3{I}_S{e}^{\frac{V_D}{V_S}}---\left(4\right)$

或， $V_O=-R_3{I}_S{e}^{\frac{V_1+V_2}{2V_S}}---\left(5\right)$

由(5)式可见，该差频器电路为指数放大器，e^X的麦克劳林级数：

$e^x=1+\frac{x}{1!}+\frac{x^2}{2!}+...\frac{x^n}{n!}+...---\left(6\right)$

通过(5)和(6)式，并只考虑其二次项，得到：

$V_O^{,}=-R_3{I}_S\frac{1}{2!}{\left(\frac{V_1+V_2}{2V_S}\right)}^2---\left(7\right)$

在V₁＝V_1msinω₁t和V₂＝V_2msinω₂t时，(7)式可以改写成：

$V_O^{,}=-R_3{I}_S\frac{1}{2!}{\left(\frac{V_{1m}{\mathrm{sin\&omega;}}_{1}t+V_{2m}{\mathrm{sin\&omega;}}_{2}t}{2V_S}\right)}^2---\left(8\right)$

令

$K=-R_3{I}_S\frac{1}{2!}{\left(\frac{1}{2V_S}\right)}^2$

并将(8)式展开，且只考虑其交叉项：

$V_O^{,,}=2{\mathrm{KV}}_{1m}{\mathrm{sin\&omega;}}_{1}t\&CenterDot;V_{2m}{\mathrm{sin\&omega;}}_{2}t---\left(9\right)$

利用积化和差公式可将(9)式改写为

$V_O^{,,}=2{\mathrm{KV}}_{1m}{V}_{2m}\left(\sin \right({\mathrm{\&omega;}}_1+{\mathrm{\&omega;}}_2)t+\sin ({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_2)t)---\left(10\right)$

当ω₁和ω₂为相近的高频信号，也即(ω₁-ω₂)<<(ω₁+ω₂)，通过合理地设置第三电阻R3和电容C的数值，可以滤除和频(ω₁+ω₂)信号而保留差频(ω₁-ω₂)信号，则有：

$V_O^{\&prime;\&prime;\&prime;}=2{\mathrm{KV}}_{1m}{V}_{2m}\sin \left(\left({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_2\right)t\right)---\left(11\right)$

即通过(11)式可以获取到差频信号，该差频信号可以用在超声设备或无线电中，满足了实际应用中的多种需要。由此可见，该差频器实现了差频功能。

实际应用时，可以通过修改第三电阻R₃的阻值来改变整个差频器的增益，通过对运算放大器A型号的选择可以对差频信号进行放大，满足了实际应用中的多种需要。

其中，本发明实施例提供的差频器以R₁＝R₂＝10kΩ，R₃＝100kΩ，第一二极管D₁和第二二极管D₂的型号为1N4148，电容C＝0.01μF，运算放大器A的型号为OP07为例进行说明。具体实现时，本发明实施例对上述元器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的元器件均可。

通过上述实例可以看出本发明实施例提供的差频器操作容易，结构简单，可以方便的获取到差频信号，满足了实际应用中的多种需要，且由于只采用二极管、电阻、电容和运算放大器等元器件，避免了元器件之间的组合频率的干扰，因此获取到的差频信号精度较高，具有本质上的稳定性。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于指数放大器的差频器，包括：第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)，其特征在于，

所述第一电阻(R₁)的一端接入第一信号源(V₁)，所述第一电阻(R₁)的另一端接第一二极管(D₁)的阳极，所述第一二极管(D₁)的阴极接第三电阻(R₃)的一端，所述第三电阻(R₃)的另一端接运算放大器(A)的输出端，输出差频信号电压(V_o)；所述第三电阻(R₃)并联连接电容(C)；

所述第二电阻(R₂)的一端接入第二信号源(V₂)，所述第二电阻(R₂)的另一端接第二二极管(D₂)的阴极，所述第二二极管(D₂)的阳极接所述运算放大器(A)的负极性输入端；所述运算放大器(A)的正极性输入端接地；

所述第一二极管(D₁)的阳极接所述第二二极管(D₂)的阴极，所述第一二极管(D₁)的阴极接所述第二二极管(D₂)的阳极；

其中，差频器为指数放大器，I_S为PN结的反向饱和电流；V_S为温度电压当量。