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，其兩端所加的靜態工作點電壓應為負值，同時保證靜態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生改變，從而實現調頻。
2．1 包絡檢波電路中的整流二極管
串聯式二極管大信號包絡檢波電路由二極管V和RC低通濾波器串聯組成，如圖1(a)所示。電路中R是負載電阻，它的數值較大；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(rdR)，充電時間常數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，電容C通過電阻R放電，放電時間常數為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，使充電時間常數足夠小而放電時間常數足夠大，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。