通信电子电路中二极管的频率变换功能

摘要：晶体二极管是一种简单实用的通信电子器件。通过分析其单向导电性与压控电容特性，认为在通信电子电路中使用晶体二极管主要有三种典型的频率变换功能，即在振幅检波电路中的整流作用，在混频电路中的开关作用以及在调频电路中的变容作用。
关键词：晶体二极管；频率变换；单向导电性；压控电容特性

    晶体二极管是通信电子电路中常用的非线性电子元器件。由于具有非线性特性，在其两端加上交变信号后，输出信号中会产生新的频率成分，这就是二极管的频率变换功能。不同类型的二极管具有不同的电特性，在通信电子电路中，利用这些电特性，灵活地设计电路，使二极管的频率变换功能得到充分的应用。如在检波电路中作为整流器件，在混频电路中作为开关器件，以及在直接或间接调频电路中作为变容器件。在这些电路中，二极管作为起主要作用的器件，使通过电路的信号频率均发生了不同类型的改变。

1 二极管的单向导电性及压控电容特性
1．1 二极管的单向导电性
    晶体二极管的单向导电性主要由构成它的PN结的单向导电性决定。当PN结加的正向电压大于它的导通电压时，可以形成较大的正向电流，此时其导通电阻很小；而加的反向电压小于它的击空电压时，反向电流很小，此时它所表现的反向电阻非常大。
1．2 二极管的压控电容特性
    晶体二极管的PN结电容包括扩散电容和势垒电容。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，而当PN结反偏时，势垒电容起主要作用。二极管反偏时，势垒电容的大小不仅与自身结构和制造工艺有关，还随加在它两端的电压在较大的范围内发生变化，这种变容特性称为二极管的压控电容特性。由此可知，用作变容二极管时，其两端所加的静态工作点电压应为负值，同时保证静态电压与调制电压之和始终为负值，此时结电容Cj随加在其上的调制信号电压的变化而变化。

2 二极管的频率变换功能在通信电子电路中的应用
    由于二极管的单向导电性以及压控电容的特性，使得它在通信电子电路中得到了广泛的应用。如在包络检波电路中作为整流二极管将通过电路的高频载波滤除，得到低频调制信号；在二极管混频电路中作为开关二极管，使加在电路中不同频率的两个信号实现混频；在角度调制电路中作为变容二极管，可使振荡电路的频率发生改变，从而实现调频。
2．1 包络检波电路中的整流二极管
    串联式二极管大信号包络检波电路由二极管V和RC低通滤波器串联组成，如图1(a)所示。电路中R是负载电阻，它的数值较大；C为负载电容，它的取值应当使得对高频信号而言，阻抗远小于R，可视为短路，而对低频调制信号，其阻抗则远大于R，相当于开路。

    大信号的检波过程，主要是利用二极管的单向导电性和负载．RC的充放电过程来实现的。假设初始时刻电容C上没有储能，在如图1(b)所示的角频率为ωc激励信号us的作用下，在us的正半周内二极管导通，us通过二极管V向电容C充电，由于二极管的单向导电性，其正向导通电阻rd很小(rd<<R)，充电时间常数rdC也较小；当us由最大值下降到小于电容器上的电压时，二极管因其所加电压为负而处于截止状态，电容C通过电阻R放电，放电时间常数为RC。由于R>>rdC，所以二极管导通时充电很快，而截止时放电很慢；当电容器上电压下降不多时，us下一个正半周的电压又超过二极管负端的电压，使电容器又快速充电，如此反复，输出电压uo在这种不断充放电的过程中逐渐增长，其在us每个周期内导通的时间越来越短，流过它的电流i也越来越小，如图1(c)所示。可见，只要合理选择RC和二极管V的参数，使充电时间常数足够小而放电时间常数足够大，就可使电容C两端的输出电压uo的幅度与输入电压us的幅度相当接近，可看成与高频调幅波包络基本一致，从而实现包络检波。
    用二极管构成的包络检波器由于电路简单，性能优越，在通信电子电路的信号解调中应用很广泛。如直接用于普通调幅波的解调；在单边带和双边带叠加型同步检波电路中先将需解调的调幅信号与同步信号进行叠加，再用二极管包络检波电路进行解调；以及斜率鉴相器中先将等幅调频信号进行频率一振幅线性变换，得到幅度也与频率成正比变化的调幅一调频信号，然后用二极管包络检波器还原出原调制信号。
2．2 混频电路中的开关二极管
    晶体二极管单向导电性表现为外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加大信号电压(电压大于0．5 V)极性控制的开关。在高频电路中，作为一种开关器件，其开关转换的速度越快越好。如图2所示，为由四个工作于开关状态的二极管组成的二极管环形混频器，图2(a)为环形画法，图2(b)是双平衡相乘器画法。不难看出，它们其实描述的是同一种电路。

    在环形混频器中，两个变压器均为中心抽头。其中u1=U1mcosω1t为大信号本振电压，二极管在其作用下工作于开关状态，而u2=U2mcos ω2t为小信号，二极管的导通与截止与它的关系不大。当u1处于正半周时，二极管V1和V2导通，V3和V4截止，此时流过输出变压器一次侧的电流为：

    分析上式可以得出，输出电流中含有ω1各奇次谐波与ω2的组合频率分量，当ω1较高时，其中除有用分量ω1±ω2外，其余3ω1±ω2及其以上组合频率分量很容易被滤除，因而二极管环形混频器的混频功能较为理想。
    二极管环形混频器具有电路简单，噪声低，动态范围大，工作频带宽等优点，其工作频率可从几十千赫到几千兆赫，因而广泛应用于各种通信电子设备中，不仅在混频电路，在振幅调制与解调、相位检波等电路中应用也比较多。
2．3 调频电路中的变容二极管
    实现频率调制就是使载波频率随调制信号成线性关系变化，要完成这一功能可采取直接调频和间接调频两种方法。直接调频就是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其与调制信号成线性关系变化；间接调频则是利用调频波与调相波之间的关系，先对调制信号进行积分，然后用它对载波进行调相，从而获得调频信号。
2．3．1 变容二极管的电路性能分析
    根据变容二极管的结电容随反向偏压变化的特性，将其接到调频或调相电路的谐振回路中，作为可控电容元件，回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率或相位，达到直接或间接调频的目的。如图3所示为谐振回路中的变容二极管，其中图3(a)为整个谐振回路基本电路，图3(b)为变容二极管交流通路，图3(c)为变容二极管直流通路。

    结电容Cj与其两端所加电压u之间有如下关系：
   
    式中：UB为PN结的势垒电位差；Cj0为u=0时的结电容；γ为变容二极管的结电容变化指数，它取决于二极管的制造工艺。
    静态工作点为UQ时，变容二极管的结电容为：
   
    设加在变容二极管上的调制信号为uΩ(t)=UΩmcosΩt，将其代入公式(2)中，得Cj=CjQ(1+mccosΩt)-γ，其中，称为变容二极管的电容调制度。
2．3．2 变容二极管的调频性能分析
    在图3(b)中，由于振荡器的振荡频率近似等于回路的谐振频率，所以谐振频率为：

    振荡频率与调制信号uΩ(t)成正比，从而可实现理想的线性调频。
2．3．3 变容二极管的调相性能分析
    在变容二极管调相电路中，变容管Cj与电感L构成并联谐振回路。当未加调制电压时，由变容二极管的结电容Cj与电感所决定的谐振频率为。
    令载波角频率ωc=ω0，则此时回路在ωc上的阻抗幅值最大，相移为零。当变容二极管Cj上加载调制电压时，回路的谐振角频率ω0发生变化，并联谐振回路的幅频和相频特性都将在频率轴上移动。当Cj增大时，并联回路的谐振角频率下降为ω01，对应的幅频与相频特性都向左移，相对于载波角频率ωc处，回路阻抗幅值下降，相移减小为φ1是负值；而当Cj减小时，并联回路的谐振角频率升高为ω02，对应的幅频与相频特性都向右移，相对于载波角频率ωc处，回路阻抗幅值也下降，但相移增大为φ2是正值。
    由此，当载波角频率ωc保持不变时，由于Cj随着调制信号的变化，使得并联回路两端的输出电压的幅度和相位均作相应的变化，其中相位的变化围绕着零值做正负变化，从而达到了调相的目的。根据间接调频的概念，利用积分后的调制信号去控制调相电路的变容二极管，对原调制信号而言，相当于对载波进行调频。

3 结语
    二极管在通信电子电路中的应用比较广泛，除了本文分析的频率变换功能之外，二极管在通信电路中还可作为限幅管在调频波的发送与接收中限制载波的幅度，以得到等幅正弦波，还可作为各种差分电源的稳压管等。熟悉二极管的不同应用，对于分析整个电路的功能有很大的帮助。