东华大学高频电子电路通信电子电路课件7-6.docx

§7. 5混频电路本节我们将讨论下述几个问题1 .进行变频的原因，混频器的作用。2 .变频器的基本原理及数学分析。3 .晶体三极管变频电路的基本原理。4 .变频器的主要性能指标。5 .变频干扰。§7.5.1概述定义：混频是将已调波中载波频率变换 为中频频率,而保持调制规律不变的频 率变换过程。地位：超外差接收机的重要组成部分（下变频）;发射机的重要组成部分（上变频）。接收机中混频器的作用：将天线上感应 的输入高频信号变换为固定的中频信 号；发射机中混频器的作用：将中频信号变换为射频信号。重要性：靠近天线，直接影响接收机的性能。种类：一般接收机中：三极管混频器。高质量通信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。1 .混频器与变频器的差别混频器和变频器的功能是一致的，都是频率变换电路，是频谱线性搬移过程。 其差别在于：混频电路中，本振信号由 外部提供；变频电路中，本振信号由电路自身产 生。变频器=混频器+本机振荡器四端口网络六端口网络因为二者功能相同，因此很多参考书不 加区别。但严格意义上是有差别的。为什么要进行变频？(1)要实现宽带，有一定增益的高频放 大器非常困难，且要在频率很宽的范围 内实现良好的选频特性也很困难。例如，调幅收音机频率范围535 1605K,调频收音机的频率范围88- 108MHz要在整个频带内兼顾增益和选择性很 困难。相比之下，固定频率的中频放大 器的增益和选择性都可以做得很好。 (2)在超外差接收机中，采用变频器， 将接收到的射频信号变为固定的中频, 在中频上放大信号，放大器的增益可以 做得很高，选频特性可做得很好，且电 路结构简单。经中频放大后，输入到检 波器的信号可达到伏特数量级。混频达到的目的：将宽带的射频信号n 固定的中频信号n有利于兼顾选频和增益=提高接收 机的灵敏度，也就是提高接收微弱信号的能力。知识点（了解）：调幅收音机频率范围535-1605K,中频 465KHz；调频收音机的频率范围88-108MHz, 中频为10.7MHz。电视接收机也可采用超外差式方案，电 视接收机视频信号中频为38MHzo音 频信号的中频为6.5MHzo微波接收机和卫星接收机的中频信号 为 70MHz 或 140MHz o2 .混频器的组成及变频作用町。）力，人助的关系i）混频器取出二个输入信号的差频，即力=九-%（高本振）或力=八-九（低本振）这时A < fs9称为下变频comber）,用于接收机；”）混频器取出二个输入信号的和频，即力=0+八，;这时A >启 称为上变频（"p-cosecr）,用于发射机。变频（混频）的作用：改变输入信号的载波频率，保持调制规律不变。下面给出调制信号为单频信号时混频器功能示意图调制信号为音频信号时混频器功能示 意图混频瞿 -结论：混频实现频谱的线性搬移，即频谱结构不变，从载频附近搬移到中频附 近。信号各频谱分量的相对位置（频率 间隔）相对幅度（幅度的比例关系）不 变。3 .变频基本原理的数学分析一幕函数 如果在非线性器件上同时加上二个高 频信号勺和人，只要使变频器工 作于变频管输入特性曲线的弯曲部分, 就会在其输出电流中产生新的频率成 分。非线性器件的电流可用事级数来表示Z =(2O +<21(A«) + tz2(Aw)2 +(6-4-1)其中，Au= us(t) + UL(t)= VSm cosaost + VLm cosa)Lt取(6-4-1)的前三项2i = aQ +aus (0 + uL(ty + a2us(t) + uL(t)a十”2=qO + %(匕相 coscost + VLm cosg J) + T(Vsm + 匕/)(Vsm cos2(Dst + Vj cos2(0Lt)+。2匕加 %COS(。s+COL)t + COS(G sCD L )d根据以上分析，由于非线性器件中伏安特性的平方项，在人必的共同作用 下，产生了新的频率成分：差频分量3s一处）；和频成分（如+M）；谐波成分2g，2M若选择差频（应一%），则称为下变频 若选择和频（%+处），则称为上变频注意：混频器后面一定要跟滤波器。4.变频器的主要性能指标衡量混频器性能优劣的主要指标有：变频增益，噪声系数，动态范围，失真干扰等。_1）变频增益（或变频损耗）表征混频器将输入高频信号转换为输 出中频信号的能力。定义：混频器输出中频电压幅值几与 输入信号电压幅值的比值A _ KmV 匕加（6-4-2）变频增益常以分贝表示。用功率表示以电压表示A =201g %c 噎（dB）尸/，Ps分别是输出的中频功率和输入高 频信号的功率。在相同输入信号情况下，分贝数越大, 表明变频增益越高，变频器将输入信号 变换为输出中频信号的能力越强。接收 机的灵敏度越高。变频损耗是对不具备混频增益的混频器而言的，它定义为在最大功率传输条 件下,输入信号功率4对输出中频功率 片的比值，用dB (分贝)表示，即4=1°坨方(dB) 显然，在相同输入信号情况下，分贝数 越大，即混频损耗越大，混频器将输入 信号变换为输出中频信号的能力越差。 2）噪声系数混频器处于接收机的前端，它的噪声电 平高低对整机影响很大，降低混频器的 噪声十分重要。混频器的噪声系数NF是指在混频器输 入端信号频率A上的输入信噪比与在 混频器输出端中频频率力上的输出信 噪比NF =输入信噪比（在信号频率fs上）二（S/N）, 一输出信噪比（在中频频率力上）一（S/N）。NF = 101g（"N）i （dB）（SIN）。如果混频器不存在内部噪声，则其输出 信噪比与输入信噪比一样，即NF=L 这是理想状态。实际上混频器内部总是存在噪声的，使 输出信噪比小于输入信噪比，所以NF 总是大于loNF越大，说明混频器内部噪声越大， 使输入信噪比降低程度越大。因此要求 NF尽可能小。混频器的内部噪声主要由非线性器件 产生，选择低噪声混频管；选择合适的混频器 工作点和本振电压，可以减小混频器的 内部噪声，从而获得较小的混频噪声系 数。3)ldB 压缩电平(IdB CompressionLevel)增益压缩的概念(混频器和放大器中重要的概念)理想混频器的混频增益为常数，即%=4=常数输出的中频信号振幅Km 0c输入已调波信号的振幅匕加实际情况当输入信号功率较小时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性 增大。由于器件的非线性，当输入信号功率增 大到一定程度，输出中频功率的增大将 趋于缓慢，出现增益压缩的现象。随着输入信号嗫的加大，变频增益将 会减小，这一现象称为增益压缩。定义：混频器实际功率增蓬低于理想线 性功率增益IdB时所对应的中频功率 电平称为IdB压缩电平，用PudB表示, 如下图所示。意义：PndB所对应的Ps是混频器动 态范围的上限电平。注意以下几个问题的理解：i）当输入信号功率较低时，混频增益为 定值，输出中频功率随输入信号功率线 性增大。ii）当输入信号增大到一定程度，由于器件的非线性作用，中频输出信号的幅度 不再与输入信号成线性关系，输出中频 信号功率的增幅随输入信号的增加而 趋于缓慢，直到比线性增长低IdB时 所对应的输出中频功率称为IdB压缩 电平，用尸八仍表示。iii）混频器的动态范围指混频器正常工作时的射频信号输入 功率范围。动态范围的下限电平是由噪声系数决 定的最小输入信号功率。动态范围的上限电平是尸.所对应的输 入信号功率确定。输出、输入功率均用dBm作为单位。 dBm是功率的单位，以mW的基准1ImW => 101g- = OdBm2mW => 101g = 3dBm10mW 101gl0 = lQdBm 100mW=101gl00 = 20dBm是增益的单位，无量纲，如：4 =(dB)Po (dBm) = Pj(dBm) + G(dB)选择性混频器的有用成分为中频，输出应该只 有中频信号，实际上由于各种因素会混 杂很多干扰信号。因此为了抑制中频以 外的不需要的干扰，就要求混频器的高频输入、中频输出回路有良好的选择 性。选择性主要取决于混频器输出端的 中频带通滤波器的性能。5）混频失真混频器的失真主要有：非线性失真、频 率失真来源：接收机输入端存在的干扰信号； 混频器件非线性，使输出电流包含众多 无用组合频率分量，若某些靠近中频, 则中频滤波器无法将它们滤除，叠加在 有用中频信号上，引起失真。如何减小失真与干扰是混频器研究中 的一个重要问题，我们将在后面专门介 绍。隔离度理论上要求混频器的各端口之间是隔 离的，任一端口上的功率不会窜通到其 它端口。但在实际电路中，总有极少量 功率在各端口之间窜通。定义：本端口功率与其窜通到另一端口 的功率之比（用分贝表示）。意义：用来评价窜通大小的性能指标。 危害：在接收机中，本振端口功率向输 入端口的窜通危害最大。原因：为保证混频性能，加在本振端口 的本振功率都比较大，当它窜通到输入 信号端口时，就会通过输入信号回路回 到天线上，产生本振功率的反向辐射, 严重干扰邻近接收机。本振泄漏示意图如下:LO泄漏RF BPF LNA T LPFLO§7. 52混频器电路及分析三极管混频器二极管混频器不适合于高度集成无线产品的设计原因：二极管混频器有损耗，对终端敏 感，并且要求相当大的本振功率。实现 平衡和端口间隔离需要依赖于变压器。 晶体三极管混频器最为重要的应用在 于高度集成和减小电流的场合。晶体三极管混频的主要优点：变频增益大于1 （要求本振电压的幅值 较小50200mV之间）。通常BJT混频器可有大约20dB的变频增益，而FET混频器有大约10dB的变频增益。BJT转移特性是指数函数，所 _以互调失真较高。FET转移特性为平方律，输出 电流中的组合频率分量比BJT混频器少得多，故 互调失真小。所以，FET 容许的输入信号动态范 围大。在短波和超短波接 收机中应用广泛1晶体三极管混频器的工作原理电路的构成：4G调谐于输入的载波频率 A(O(fc(O)七。2调谐于中频力上。发射结上作用有三个电压： 直流偏置LB。，射频信号电压人和本振电压勺，即“BE =+ UL (')+$ (?) = BB (')+$ Q)为了减小非线性器件产生不需要的分 量，一般情况下，使人人即本 振信号是大信号，而输入信号为小信 号。在一个大信号勺和一个小信号"S同时 作用于非线性器件时，晶体管可近似看 成小信号的工作点随大信号变化而变 化的线性元件。晶体管的工作点由本振信号电压和偏 置电压共同确定。ubeq = VBBQ +uL(t) = VBB(t)“”)随时间变化，称为时变静态工作 点电压。在。时刻，工作点为Qi点；在22时刻，工作点为Q3点；在，3时刻，工作点为Q2点参看课本P157线性时变电路分析 法。因为人信号很小，因此对于人而言， 晶体管可以近似看成工作于线性状态, 混频器中的三极管工作在线性时变状 态。（关于线性时变工作状态的解释，看附件。）对于混频器中的三极管ic（八卜，o«） + g。）/。）（6-4-2）/o为"s=0时的电流，称为时变静态 电流；g«）是电流对电压的变化率（跨导，请看附件），0（。和跨导g都是时变的（图6.4.18 所示）下面求解时变跨导g«）（如图6.4.18所 示）（a）三极管转移特性曲线Ube，该由线上各点的斜率即为跨导u BE BB O+WL （）(b)根据各点切线的斜率画出g-"吟(c)"的是t的函数，因此可画出g(，)T曲线o图6.4.18混频器的时变跨导小结：线性时变工作状态的来由： 线性：由于人是小信号，因此晶体管 可视为工作于线性状态。时变：由于工作点由犯共同确 定，所以线性参量是随时间变化的。这种电路称为线性时变电路。g是周期性的非正弦函数。时变偏置 电压GO）在匕80的基础上按本振电压 4的规律作周期性变化时，跨导且也随 勺作周期变化，形成时变跨导g"）。结论：g。）是一个随勺作周期变化的非正弦波,如图6.4.18所示。 将g展开为傅立叶级数1Si = 71 J18n=g cos(na)J)d (J)， 71g (0 = go+ gi cos a)Lt + g2 cos % + 其中，go=I g (t)d(a)j)，5g (t) cos(Qd(J)，-n由(6-4-2)记 x f(uBE)" 0 + g % 可知：g。)中的基波分量gi cos(g/)与 输入信号电压人相乘g cos(a)LtyVSm cos a)ct1=gVSmC0S(C0L - (Oc)t + COS(69l + (Oc )r(电导)x(电压)f电流 令? = m - g得中频电流分量，(%+g)项被滤波器滤除1h =cos 31t = -gVs” COS cott = gmcVSm cos 叫t其中，g*称为混频跨导X混频（变频）跨导定义：输出中频电流的幅值%与输入信 号电压幅值嗑之比。功能：描述输入信号电压对输出中频电 流的控制能力，用于衡量混频器的变频 能力。混频（变频）跨导和时变跨导g。）的关系：1一= - gl （时变跨导中基波分量幅度gl的一半）回路的中频输出电压% = Reh =%且膜匕根COSQ"相应的混频增益为Ac=h=gmc Re 其中，凡为输出中频回路谐振电阻； SrncSm为中频电流幅值。混频跨导（即& ）越大，变频增益4 越高。X gfnc 与 Ulhi 和 VbBO 关系在满足线性时变条件下，三极管混频电 路的混频增益与混频跨导gmc成正比(Ac= Vsm二&)。而心。大小与晶体 管参数、本振电压幅度ULm和静态偏置电压Vbbo有关。图6.4.20分别画出了 gmc与ULm和Eb(VBBO)关系曲线。X图6.4.19(a)说明“如何画出g(t)的解析波形”三极管的转移特性曲性UBE-ic，曲线上 各点的斜率的连线即为跨导特性g(ube) o 在 Ube：VBB(t)的作用下，便可画出g。)波 形。图 6.4.19(a)3 g(t)的图解分析CO 1/图 6.4.19(b)说明 “g(t)、g“与本振 U.的关系” 图 6.4.19(b)g(t)、8痴与Ulhi 的关系V 图 6.4.20 g(t)、gmc 与 Eb( VBB0)的关系结论：与本振信号幅值Ulhi和静态 偏置电压Eb (Vbbo)的关系是非线性 关系。U)和Eb过大或过小，且松都较小，只 有在一定范围内mc较大。当 Vbbo (或ER 一定,ULm由小增大 时，gmc也相应地增大，直到g(t)趋 近方波时，相应的且水便达到最大值。 实际三极管混频电路采用分压式偏置 电路，当ULm增大到一定值后，由于 特性的非线性，产生自给偏置效应，基极偏置电压将自静态值Vbbo向截止 方向移动，因而相应的也就比上述 恒定偏置时小。结果使以随ULm的变 化如图6.4.21实线所示。固定偏前图6.4.21 随ULm变化的特性 可见，相应于某一 ULm值，gmc和相 应的混频增益达到最大值。该ULm值 就是最佳本振电平。实践证明，在中波广播收音机中，为了 使变频跨导最大，这个最佳的ULm约为20200 mVo反之，当ULm 一定 时，改变VbB0（或W时，gmc也会相 应变化。实验指出，Ieq在0.21mA 时，g极近似不变，并接近最大值。2 .具体电路和工作状态的选择（这部分 内容只做了解）混频器有二个输入，输入信号和本振电 压。共射极混频电路：本振信号由基极串 联方式注入本振信号由射极注入下图所示是常用三极管混频器的几种 基本形式。电路的共同特点是利用三极 管转移特性的非线性实现频率变换的。 图6.4.21常用的三极管混频电路X /(c)(d)若输入信号"S和本振信号L0从同极 注入，则可能导致本振频率受输入信号 频率的牵引，出现本振频率/。等于信 号频率人的现象,甚至得不到所需的差 频或和频电压；若久和犯。从两极注入，则相互影响小, 不易产生牵引现象。但本振电压”从 基极注入，电路需要的本振功率小；本 振电压血。从射极注入，电路需要的本 振功率大。图6.4.21给出了几种常用的三极管混 频电路的形式。它们的区别是本振电压注入方式和三极管交 流地电位的不同。电路形式和(b)都是共射极电路电路 形式。的本振电压由基极注入，需要 本振提供的功率小，但信号电压对本振 的影响较大。电路形式(b)的本振电压由发射极注 入，需要本振提供的功率大，但信号对 本振影响小。电路形式(C)和(d)都是共基极电路，与 (a)、(b)电路相比的输入阻抗小，变频 电压增血小，不易起振。在频率较低时，一般不用该组态。但当频率较高时，因为人力，这时它们的 变频电压增益可能比共射组态大，可采 用这二种组态。也就是说，这种电路工 作频率高、稳定性好。二、.其它混频电路简介场效应管混频前面我们介绍了场效应管与三极管混 频各自的优势。场效应管混频器的工作 原理与分析类似于晶体管混频器，但由 于场效应管的特性近似如平方律，组合 频率分量少，增益高，工作频率高，噪 声低，允许输入信号动态范围大等优 点。场效应管混频(在短波、超外差接 收机中将广泛应用)又可分为二类。结型场效应管混频(b)双栅绝缘场效应管混频器双栅绝缘场效应管具有栅漏极电容 很小，正向传输导纳较大，且，。受到双重控制的特点，很适合作为超高频段混 频器。D心不5 -JL-S本振和射频信号分别从二个栅极GG加入，互不影响。(ii)二极管混频电路又可分为晶体二极管平衡混频器和环 形混频器，与晶体三极管混频器相比， 具有电路结构简单，噪声低，动态范围 大，组合频率分量小等优点，在通信设 备中得到广泛的应用。如果采用肖特基 表面势垒二极管，它的工作频率可达到微波频段。(iii)模拟乘法器混频器模拟乘法器在混频电路中得到了极其 广泛的应用，特别是在大规模通信集成 电路中，通带都采用模拟乘法器作为混 频器，其分析方法与模拟乘法器调幅电路相似。