CN103095237B - 一种基于对数放大器的高输出幅值混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对数放大器的高输出幅值混频器，第一电阻的一端输入第一信号源，第一电阻的另一端分别接第一二极管的阳极和第二二极管的阴极，第一二极管的阴极接第三二极管的阳极，第2n‑3二极管的阴极接第2n‑1二极管的阳极；第二二极管的阳极接第四二极管的阴极，第2n‑2二极管的阳极接第2n二极管阴极；第2n‑1二极管的阴极和第2n二极管的阳极同时接运算放大器的输出端，输出混频信号电压；第二电阻的一端输入第二信号源，第二电阻的另一端分别接第一二极管的阳极、第二二极管的阴极和运算放大器的负极性输入端。该混频器结构简单，可以方便的获取到稳定、精度高、幅值较高的混频信号，容易集成化，降低了电路成本。

Description

一种基于对数放大器的高输出幅值混频器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于对数放大器的高输出幅值混频器。

背景技术

混频器为非线性器件，输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。

现有技术中的混频器通常为二极管混频器、平衡混频器和晶体管混频器等，都由电感和变压器等组成。上述混频器结构简单，可以工作在较高频段，输出混频信号。

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）上述混频器的各回路之间相互影响较严重，组合频率干扰也较大，导致获取到的混频信号不稳定，且输出的混频信号的幅值较低；

2）上述混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）获取到的混频信号为衰减信号，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对数放大器的高输出幅值混频器，该混频器避免了组合频率的干扰，获取到稳定性和幅值较高的混频信号，详见下文描述：

一种基于对数放大器的高输出幅值混频器，包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端输入第一信号源，所述第一电阻的另一端分别接第一二极管的阳极和第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极接第三二极管的阳极，以此类推，第2n-3二极管的阴极接第2n-1二极管的阳极；所述第二二极管的阳极接第四二极管的阴极，以此类推，第2n-2二极管的阳极接第2n二极管阴极；所述第2n-1二极管的阴极和所述第2n二极管的阳极同时接运算放大器的输出端，输出混频信号电压；

所述第二电阻的一端输入第二信号源，所述第二电阻的另一端分别接所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极和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；

所述第一二极管的阴极连接所述第二二极管的阳极；所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极，所述第三二极管的阴极连接所述第四二极管的阳极；以此类推，所述第2n-1二极管的阳极连接所述第2n二极管的阴极。

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、运算放大器和电阻组成了基于对数放大器的高输出幅值混频器，该混频器结构简单，可以方便的获取到稳定、精度高、幅值较高的混频信号，容易集成化，且降低了电路成本，扩大了信号的动态范围；通过修改第一电阻和第二电阻的阻值可以很容易改变混频器的增益，通过对运算放大器型号的选择可以对混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对数放大器的高输出幅值混频器电路原理图；

图2为本发明提供的一种基于对数放大器的混频器电路原理图。

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；

A：运算放大器；D₁：第一二极管；

D₂：第二二极管；D₃：第三二极管；

D₄：第四二极管；D_2n-3：第2n-3二极管；

D_2n-2：第2n-2二极管；D_2n-1：第2n-1二极管；

D_2n：第2n二极管；V_o：混频信号电压；

V₁：第一信号源；V₂：第二信号源。

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，获取到稳定性和幅值较高的混频信号，本发明实施例提出了一种基于对数放大器的高输出幅值混频器，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的另一端分别接第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一二极管D₁的阴极接第三二极管D₃的阳极，以此类推，第2n-3二极管D_2n-3的阴极接第2n-1二极管D_2n-1的阳极；第二二极管D₂的阳极接第四二极管D₄的阴极，以此类推，第2n-2二极管D_2n-2的阳极接第2n二极管D_2n阴极；第2n-1二极管D_2n-1的阴极和第2n二极管D_2n的阳极同时接运算放大器A的输出端，输出混频信号电压V_o；

第二电阻R₂的一端输入第二信号源V₂，第二电阻R₂的另一端分别接第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阴极和运算放大器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的阳极连接第二二极管D₂的阴极，第一二极管D₁的阴极连接第二二极管D₂的阳极；第三二极管D₃的阳极连接第四二极管D₄的阴极，第三二极管D₃的阴极连接第四二极管D₄的阳极；以此类推，第2n-1二极管D_2n-1的阳极连接第2n二极管D_2n的阴极，第2n-1二极管D_2n-1的阴极连接第2n二极管D_2n的阳极。

即，第一二极管D₁和第二二极管D₂之间组成反并联电路；第三二极管D₃和第四二极管D₄之间组成反并联电路；以此类推，第2n-1二极管D_2n-1和第2n二极管D_2n之间组成反并联电路。

具体实现时，n的取值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

下面结合图1和图2详细描述该混频器的工作原理，详见下文描述：

不失一般性，先只分析仅有一对二极管D1和D2时，如图2所示，电路的工作原理如下：

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°C）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

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

由于

$I_I=\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}=I_D---\left(3\right)$

即 $\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}=I_S{e}^{\frac{V_D}{V_S}}---\left(4\right)$

由于D1和D2反向并联，只考虑电路输出的绝对值，则

$V_O=V_D=V_S\ln \frac{1}{I_S}(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2})---\left(5\right)$

取R₁＝R₂＝R，有

$V_O=V_S\ln \frac{1}{I_{S}R}+V_S\ln (V_1+V_2)---\left(6\right)$

由（6）式可见，电路为对数放大器。对数lnx可以展开为级数：

$\ln x={\ln x}_0+\frac{1}{x_0}\frac{(x-x_0)}{1!}-\frac{1}{x_0^2}\frac{(x-x_0{)}^2}{2!}+\·\·\·{\left(\ln x_0\right)}^{\left(n\right)}\frac{{(x-x_0)}^n}{n!}+\·\·\·---\left(7\right)$

通过（6）和（7）式，并只考虑其二次项，且把二次项所有系数记为K：

V’_O=K（V₁+V₂）²（8）

在V₁=V_1msinω₁t和V₂=V_2msinω₂t时，（8）式可以改写成：

V’_O=K（V_1msinω₁t+V_2msinω₂t）²（9）

将（9）式展开，并只考虑其交叉项：

V”_O=2KV_1msinω₁t·V_2msinω₂t（10）

利用积化和差公式可将（10）式改写为

V”_O=2KV_1mV_2m（sin（ω₁+ω₂）t+sin（ω₁-ω₂）t）（11）

即通过（11）式可以获取到混频信号，通过后续的低通滤波器或高通滤波器等，可以提取到低频信号或高频信号，满足了实际应用中的多种需要。由此可见，该混频器实现了混频功能。

在图1中，由于电路输出等于各个串并联二极管管压降的叠加，也即n倍于一对二极管反向并接时的电压，因此可以大幅度提高输出信号的幅值。

实际应用时，可以通过修改第一电阻R₁和第二电阻R₂的阻值来改变整个混频器的增益，通过对运算放大器A型号的选择可以对混频信号进行放大处理，满足了实际应用中的多种需要。

其中，本发明实施例提供的混频器以R₁＝R₂＝10kΩ，第一二极管D₁、第二二极管D₂……第2n二极管D_2n的型号为1N4148，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混频器操作容易，结构简单，可以方便的获取到混频信号，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，因此获取到的混频信号的精度较高，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)

1.一种基于对数放大器的高输出幅值混频器，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)的一端输入第一信号源(V₁)，所述第一电阻(R₁)的另一端分别接第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，所述第一二极管(D₁)的阴极接第三二极管(D₃)的阳极，以此类推，第2n-3二极管(D_2n-3)的阴极接第2n-1二极管(D_2n-1)的阳极；所述第二二极管(D₂)的阳极接第四二极管(D₄)的阴极，以此类推，第2n-2二极管(D_2n-2)的阳极接第2n二极管(D_2n)阴极；所述第2n-1二极管(D_2n-1)的阴极和所述第2n二极管(D_2n)的阳极同时接运算放大器(A)的输出端，输出混频信号电压(V_o)；

所述第二电阻(R₂)的一端输入第二信号源(V₂)，所述第二电阻(R₂)的另一端分别接所述第一二极管(D₁)的阳极、所述第二二极管(D₂)的阴极和所述运算放大器(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)的阴极连接所述第二二极管(D₂)的阳极；所述第三二极管(D₃)的阳极连接所述第四二极管(D₄)的阴极，所述第三二极管(D₃)的阴极连接所述第四二极管(D₄)的阳极；以此类推，所述第2n-1二极管(D_2n-1)的阳极连接所述第2n二极管(D_2n)的阴极；

在V₁＝V_1msinω₁t和V₂＝V_2msinω₂t时，混频信号电压(V_o)利用积化和差公式改写为：

V”_O＝2KV_1mV_2m(sin(ω₁+ω₂)t+sin(ω₁-ω₂)t)；

其中，K为二次项所有系数。