三极管混频器与集成混频电路优秀PPT.ppt
三极管混频器与集成混频电路第1页，本讲稿共67页3-1 3-1 模拟相乘器模拟相乘器一、基本特性一、基本特性二二、模拟相乘器的实现方法模拟相乘器的实现方法三、二极管相乘器三、二极管相乘器四、晶体管相乘器四、晶体管相乘器 五五、集成模拟相乘器集成模拟相乘器六六.电流模相乘器电流模相乘器七七.集成集成MOS模拟相乘器模拟相乘器八八.相乘器的应用相乘器的应用第2页，本讲稿共67页第三章第三章模拟相乘器和混频器模拟相乘器和混频器3-1 3-1 模拟相乘器模拟相乘器一、基本特性一、基本特性1.基本概念基本概念含义：可实现任意两个互不相关模拟信号相乘的含义：可实现任意两个互不相关模拟信号相乘的三端口的非线性电子器件三端口的非线性电子器件（AM为相乘增益为相乘增益，亦称比例系数或标尺因子），亦称比例系数或标尺因子）第3页，本讲稿共67页工作区域工作区域单象限单象限二象限二象限四象限四象限2传输特性传输特性直流和低频传输特性直流和低频传输特性零输入响应零输入响应：零输入状态时，是非零的输出，存在误差电零输入状态时，是非零的输出，存在误差电压（输出失调电压和馈通误差电压）压（输出失调电压和馈通误差电压）直流传输特性直流传输特性（一个输入为直流时）（一个输入为直流时）平方律特性（平方律特性（）非线性传输特性非线性传输特性正弦信号传输特性正弦信号传输特性第4页，本讲稿共67页3误差分析误差分析误差误差引起误差原因：引起误差原因：二模拟相乘器的实现方法二模拟相乘器的实现方法二极管相乘器技术二极管相乘器技术四分之一相乘技术四分之一相乘技术三角波相乘技术三角波相乘技术对数反对数相乘技术对数反对数相乘技术脉冲高度宽度的相乘技术脉冲高度宽度的相乘技术可变跨导的相乘技术（晶体管）可变跨导的相乘技术（晶体管）第5页，本讲稿共67页三、二极管相乘器三、二极管相乘器(二极管平衡相乘器、二极管双平衡（环形）相乘器二极管平衡相乘器、二极管双平衡（环形）相乘器)1分析方法分析方法开关函数分析开关函数分析余弦型余弦型若若i单向正相余弦开关函数单向正相余弦开关函数 ii单向反相余弦开关函数单向反相余弦开关函数iii双向开关函数双向开关函数第6页，本讲稿共67页正弦型正弦型若若i单向正相正弦开关函数单向正相正弦开关函数ii单向反相正弦开关函数单向反相正弦开关函数iii双向开关函数双向开关函数大信号控制二极管开关工作，二极管等效导通电阻大信号控制二极管开关工作，二极管等效导通电阻RD与开关与开关K串联。串联。2.二极管平衡相乘器二极管平衡相乘器电路及特点电路及特点第7页，本讲稿共67页电路电路特点：特点：v1(t)=V1msin1tv2(t)=V2msin2ta)D1、D2为近似理想开关二极管为近似理想开关二极管b)v1同相加到同相加到D1、D2上，上，v2反相加到反相加到D1、D2上上c)Tr1二次与二次与Tr2一次绕组具有中心抽头，并上下严格对称一次绕组具有中心抽头，并上下严格对称d)电流差分输出电流差分输出i=iD1-iD2第8页，本讲稿共67页工作原理工作原理V1mV2mV1mVD(on)v1控制控制D1、D2开关工作开关工作若若v10，D1、D2导通导通；若；若v10，D1、D2截止截止根据等效电路，可以列出回路方程求得根据等效电路，可以列出回路方程求得第9页，本讲稿共67页 实现相乘条件实现相乘条件应在应在RL两端并上两端并上LC带通滤波器带通滤波器(满足满足中心频率谐振在中心频率谐振在)3.二极管双平衡相乘器（环形相乘器）二极管双平衡相乘器（环形相乘器）电路及特点电路及特点在负载上选出在负载上选出输出电压输出电压第10页，本讲稿共67页 电路：电路：特点：特点：iD1-D4理想开关二极管理想开关二极管iiTr1次级次级Tr2初级具有中心抽头，上下严格对称初级具有中心抽头，上下严格对称iiiv1同相，同相，v2反相加到反相加到D1、D2或或D3、D4上上iv差分输出差分输出第11页，本讲稿共67页工作原理工作原理实现相乘条件：实现相乘条件：在在RL两端并上两端并上LC带通滤波器带通滤波器（满足（满足中心频率谐振在中心频率谐振在）第12页，本讲稿共67页4.二极管环形组件相乘器：二极管环形组件相乘器：二极管环形相乘器与平衡相乘器相比二极管环形相乘器与平衡相乘器相比不仅频谱更纯净，而且相乘效率提高一倍，不仅频谱更纯净，而且相乘效率提高一倍，得到了广泛应用，得到了广泛应用，所以把环形电路接成环形电路组件。所以把环形电路接成环形电路组件。电路：电路：工作原理由同学自己完成。工作原理由同学自己完成。第13页，本讲稿共67页四四.晶体管相乘器晶体管相乘器1差分特性分析法差分特性分析法电路：电路：第14页，本讲稿共67页差分特性差分特性，对对 近似方法近似方法 若若V1m26mv，若若26mvV1m260mv 若若V1m260mv，双曲正切函数表示双曲正切函数表示第15页，本讲稿共67页欲实现理想相乘时存在的问题欲实现理想相乘时存在的问题:a)相乘增益与温度相乘增益与温度T成反比（即成反比（即AM ）不稳定）不稳定 b)动态范围受动态范围受V1m26mv的限制的限制2单差分对管相乘器单差分对管相乘器电路电路工作原理工作原理 分别在分别在V1m26mv、26mvV1m260mv时，对时，对进进行频谱行频谱分析讨论分析讨论,通过通过LC 带通滤波器（中心频率谐振在带通滤波器（中心频率谐振在,3dB带宽为带宽为2），即可实现），即可实现不失真的相乘。不失真的相乘。第16页，本讲稿共67页iV1m26mv,V2m26mv无意义，说明无意义，说明必须为小信号必须为小信号a)交叉地加到交叉地加到T1、T2与与T3、T4基极上基极上特点特点b)i=iI-iII差分输出差分输出工作原理工作原理分类讨论分类讨论电路：电路：3双差分对管相乘器双差分对管相乘器 电路及其特点电路及其特点第17页，本讲稿共67页iiV1m26mv,V2m26mv实现近似理想相乘实现近似理想相乘iii26mvV1m260mv,V2m26mvivV1m260mv,V2m26mv输出输出i经经LC带通滤波器，（中带通滤波器，（中心频率谐振在心频率谐振在,）可实现可实现 不失真的相乘不失真的相乘欲实现理想相乘时存在的问题：欲实现理想相乘时存在的问题：i实现理想相乘实现理想相乘,要受到要受到V1m26mv，V2m26mv的限制的限制ii相乘增益与温度相乘增益与温度T2成反比（即成反比（即AM）4三差分对管相乘器（线性化四象限可变跨导相乘三差分对管相乘器（线性化四象限可变跨导相乘器或模拟相乘器）器或模拟相乘器）目的：目的：扩大扩大的动态范围，实现任意两个模拟信号的相乘。的动态范围，实现任意两个模拟信号的相乘。框图：框图：第18页，本讲稿共67页电路电路第19页，本讲稿共67页流控吉尔伯特电路流控吉尔伯特电路电路电路（由（由T1T4、T7、T8构成）构成）v=vBE7 vBE8实现：实现：第20页，本讲稿共67页电压电压电流线性变换器电流线性变换器电路电路实现：实现：；实现方法实现方法：分别在差分对管：分别在差分对管T5、T6与与T9、T10的两个射极间分别加一个大的两个射极间分别加一个大电阻电阻RE2与与RE1,实现深度负反馈；实现深度负反馈；优点：优点：a)实现实现任意两个模拟信号的相乘任意两个模拟信号的相乘b)AM=4Rc /IoRE1RE2与与T无关，所以无关，所以电路特性稳定电路特性稳定实现实现相乘条件：相乘条件：，结论：结论：；3)第21页，本讲稿共67页五五、集成模拟相乘器集成模拟相乘器1.MC1596相乘器相乘器(或或XFC1596)第22页，本讲稿共67页2.MC1595(或或BG314）相乘器）相乘器电路与工作原理电路与工作原理 内部电路内部电路第23页，本讲稿共67页外部连接图外部连接图工程估算工程估算已知：已知：估算：估算：（设计）（设计）a)RE1,RE2:估算时，估算时，工作原理工作原理：v0=AMv1v2，其中其中第24页，本讲稿共67页d)R3,R13:e)Rk:c)估算估算+VCC,-,-VEE：从从V2max,-,-V2max分别往上，往下估算，遇分别往上，往下估算，遇C-B结，用结，用2.5V估算，估算，遇遇B-E结用结用0.7V估算，加适当的裕量即可。估算，加适当的裕量即可。b)Rc:第25页，本讲稿共67页调零技术（调整）调零技术（调整）电路：电路：(F007为单位倒相增益放大器为单位倒相增益放大器)调整：调整：在输出端接示波器（或计数器）在输出端接示波器（或计数器）i)调零调零：零输入状态下，使：零输入状态下，使。反复调。反复调）ii)调调AM:调调RW4(调调I0)调整目的调整目的：克服输入输出失调电压引起相乘误差。：克服输入输出失调电压引起相乘误差。第26页，本讲稿共67页六六.电流模相乘器电流模相乘器1.概念概念用用电流的分量处理模拟信号的电路电流的分量处理模拟信号的电路称为称为电流模电路电流模电路在电流模电路中晶体管在电流模电路中晶体管有用的频率高达有用的频率高达fT，具有，具有频带宽速度高频带宽速度高的传输的传输特性特性2.基本电流模电路形式基本电流模电路形式跨导线性电路（跨导线性电路（TL电路）电路）电流镜（电流镜（CM）与电流传输特器（）与电流传输特器（CC）第27页，本讲稿共67页开关电流电路（开关电流电路（SCC）砷化镓高速电路（砷化镓高速电路（）模拟神经网络电路（模拟神经网络电路（AN）支撑电路（支撑电路（SC）3.特点特点频带宽速度高频带宽速度高电路是低阻节点，极点频率很高，接近特征频率电路是低阻节点，极点频率很高，接近特征频率fT电路中电流变化影响电压分量电路中电流变化影响电压分量VBE(on)变化很小；向变化很小；向Cbe充电电流很大，时间短。充电电流很大，时间短。动态范围很大动态范围很大电源电压很低（电源电压很低（0.71.5V）输出电流达到（输出电流达到（10-910-3mA级）级）第28页，本讲稿共67页输出最大电流受晶体管限制输出最大电流受晶体管限制易于实现电流的存贮与转移易于实现电流的存贮与转移动态电流镜可作为偏置电流，或作为动态电流镜可作为偏置电流，或作为电流电流1：1拷贝倍乘或整除。拷贝倍乘或整除。广泛用在开关电流滤波器、开关电流广泛用在开关电流滤波器、开关电流A/D、D/A转换器中转换器中便于实现电流与电压的线性与非便于实现电流与电压的线性与非线性转换线性转换作为电压作为电压电流线性转换器电流线性转换器第29页，本讲稿共67页非线性失真很小非线性失真很小电流传输特性影响器件的伏安特性电流传输特性影响器件的伏安特性易于处理高精度的模拟信号处理易于处理高精度的模拟信号处理4.TL回路原理回路原理TL基本概念基本概念说明说明gm是集电极电流线性比例系数，提出跨导线性是集电极电流线性比例系数，提出跨导线性TL概念。概念。得到得到第30页，本讲稿共67页TL原理：原理：条件：条件：la)有偶数个有偶数个PN结结b)顺时针排列（顺时针排列（CW）个数）个数=逆时针逆时针排列（排列（CCW）个数）个数结论结论：顺时针发射结电流密度之积等于逆时针发射结电流顺时针发射结电流密度之积等于逆时针发射结电流密度之积密度之积l若若(J)Cw=(J)CCW第31页，本讲稿共67页5.TL回路构成电流放大器回路构成电流放大器TL跨导线性回路原理：跨导线性回路原理：在一个包含偶数个正偏发射结的在一个包含偶数个正偏发射结的闭合回路闭合回路中，若中，若顺时针顺时针方向排列方向排列的的PN结结的数目等于的数目等于逆时针逆时针方向排列的方向排列的PN结的结的数目，数目，则顺时针方则顺时针方向发射极电流密度之积等于逆时针方向发射极电流密度之积向发射极电流密度之积等于逆时针方向发射极电流密度之积举例一举例一可变增益电流放大器可变增益电流放大器（与（与无关）无关）第32页，本讲稿共67页已知：已知：输入管的偏置电流输入管的偏置电流I,差分管偏置电流差分管偏置电流IE,x 为信号电流为信号电流与偏置电流比值，称为调制度，满足与偏置电流比值，称为调制度，满足-1x VSm采用采用二极管平衡相乘器二极管平衡相乘器实现混频实现混频其中其中vL为本振信号为本振信号 vL=VLmcosLt 为大信号为大信号令令vs=Vsm(1+Macost)cosct 为小信号为小信号（属小信号混频（属小信号混频本地振荡本地振荡vL为大信号，输入高频信为大信号，输入高频信号号vS为小信号）为小信号）第53页，本讲稿共67页i经经LC中频带通滤波器中频带通滤波器,中心频率谐振在中心频率谐振在I=L-c上上,实现实现混频混频：(RLRD)二极管环形混频器二极管环形混频器电路电路:其中其中vL为本振信号为本振信号 vL=VLmcosLt令令vs=Vsm(1+Macost)cosctVLmVSmBW3dB=2第54页，本讲稿共67页由两个二极管平衡混频器构成由两个二极管平衡混频器构成 a)vL控制控制D1、D2开关函数为开关函数为K1(Lt)，iI=b)vL控制控制D3、D4的开关函数为的开关函数为K1(Lt-)，iII=i经经LC中频带通滤波器，中心频率谐振在中频带通滤波器，中心频率谐振在 上上,BW3dB=2环形组件混频器环形组件混频器(由于环形的比平衡的更优越，所以环形得到由于环形的比平衡的更优越，所以环形得到广泛的应用，将它制作为组件广泛的应用，将它制作为组件)第55页，本讲稿共67页电路电路vL0时时,D2D3导通，导通，D1D4截止截止vL0时时,D1D4导通，导通，D2D3截止截止LC为中频带通滤波器，中心频率谐振在为中频带通滤波器，中心频率谐振在BW3dB=2上，上，第56页，本讲稿共67页此电路作为作业题，求：此电路作为作业题，求：i表示式并分析所含频谱分量表示式并分析所含频谱分量 求输出电压求输出电压vI(t)的表达式的表达式2.二极管混频二极管混频性能指标性能指标 L称为称为变频损耗变频损耗L值越小，混频性能越好值越小，混频性能越好3.二极管混频的二极管混频的优点优点电路简单，噪声低，组合频率分量少，工作频率高，频带宽电路简单，噪声低，组合频率分量少，工作频率高，频带宽用肖特基二极管，工作频率可扩展到微波段用肖特基二极管，工作频率可扩展到微波段 环形组件中工作频率达到几十环形组件中工作频率达到几十kHz 几几GHz lll第57页，本讲稿共67页1.框图：框图：2.举例：举例：电路电路 l四、集成混频器四、集成混频器第58页，本讲稿共67页无需在混频无需在混频2、3端接负反馈电阻端接负反馈电阻混频增益高，输入频率可高达混频增益高，输入频率可高达200MHz 300MHz 3.优点：优点：组合频率少，寄生干扰小组合频率少，寄生干扰小对对vL没有要求没有要求具有高的混频增益具有高的混频增益 vs与与vL之间隔离好，相互牵制小之间隔离好，相互牵制小 VIm与与VSm有很大的线性动态范围有很大的线性动态范围五、五、组合频率干扰与非线性失真组合频率干扰与非线性失真1.组合频率干扰：组合频率干扰：若令若令说明说明第59页，本讲稿共67页当混频器输入端加入当混频器输入端加入v=vL+vS时时,由于混频器件伏安特性由于混频器件伏安特性 i=a0+a1v+a2v2+a3v3+的非线性，在的非线性，在i中出现中出现 fp,q=|pfL qfC|的组合频率分量。其中的组合频率分量。其中只有只有p=q=1对应的对应的 fI=(fL-fC)的分量为有用中频频率，其余的均是的分量为有用中频频率，其余的均是无用分量无用分量,有的甚至有害，将有害的分量造成的干扰统称为组合频率有的甚至有害，将有害的分量造成的干扰统称为组合频率干扰。干扰。分类分类（干扰哨声、寄生通道干扰）（干扰哨声、寄生通道干扰）i 干扰哨声干扰哨声现象现象：产生音频哨叫：产生音频哨叫原因原因：由：由fS通过寄生通道形成通过寄生通道形成干扰哨声产生条件干扰哨声产生条件：|pfL qfS|=fI+F 定义定义:第60页，本讲稿共67页 特点：特点：la)产生干扰哨声频率产生干扰哨声频率fS有无穷多个不连续的点有无穷多个不连续的点b)若频段确定了，落在频段内仍是有限个若频段确定了，落在频段内仍是有限个c)最强的两个干扰哨声：最强的两个干扰哨声：p=0,q=1时时,fS=fI；p=1,q=1时时,fS=2fI第61页，本讲稿共67页ii 寄生通道干扰寄生通道干扰 现象现象：接收某台信号时，同时收到干扰台的信息：接收某台信号时，同时收到干扰台的信息a)能产生寄生通道干扰的仍然为无限多个不连续点能产生寄生通道干扰的仍然为无限多个不连续点称为称为中频干扰中频干扰 称为称为镜像频率干扰镜像频率干扰d)若若fM确定了，在频段内可以确定收到干扰台的信息确定了，在频段内可以确定收到干扰台的信息 fS的频率的频率点点特点：特点：形成条件：形成条件：原因原因：干扰频率：干扰频率fM通过寄生通道形成通过寄生通道形成c)最强的两个寄生通道干扰最强的两个寄生通道干扰b)若频段确定了，落在其中干扰点仍为有限个若频段确定了，落在其中干扰点仍为有限个p=0,q=1时，时，fM=fIp=0,q=1时，时，fM=fI+fL第62页，本讲稿共67页*2.非线性失真非线性失真(包络失真、强信号阻塞失真、交调失真、互包络失真、强信号阻塞失真、交调失真、互 调失真倒易失真）调失真倒易失真）3.减少干扰和非线性失真的减少干扰和非线性失真的措施措施 压低前级输入信号强度压低前级输入信号强度 中频频率应选择在频段外中频频率应选择在频段外低中频低中频 高中频高中频 二次变频二次变频 减少组合频率分量减少组合频率分量 采用平方律器件采用平方律器件 工作点设计应接近平方律部分工作点设计应接近平方律部分 电路采用平衡推挽的形式电路采用平衡推挽的形式 采用相乘器实现混频采用相乘器实现混频 第63页，本讲稿共67页1.非线性电容器间的能量转换原理非线性电容器间的能量转换原理门雷罗威关系式门雷罗威关系式表明理想无耗的非线性电容器件在各组合频率分量之表明理想无耗的非线性电容器件在各组合频率分量之间平均功率的分配关系。间平均功率的分配关系。门雷罗威关系式的应用门雷罗威关系式的应用*六、六、参量电路参量电路第64页，本讲稿共67页参量倍频参量倍频参数混频参数混频第65页，本讲稿共67页上边带混频器上边带混频器下边带混频器下边带混频器第66页，本讲稿共67页参数放大电路参数放大电路2.参量混频电路参量混频电路第67页，本讲稿共67页
