晶体三极管混频器的设计.doc

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1、课程设计报告题 目： 晶体三极管混频器设计 学生姓名： * 学生学号： * 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 通信工程专业 届 别： 2014届 指导教师： * 电气信息工程学院制2013年5月晶体三极管混频器设计学生：*指导教师：*电气信息工程学院：10级通信工程专业1 三极管混频器设计内容及要求1.1 设计内容在本次课程设计中采用了Multisim仿真软件对三极管混频器进行设计及绘制，并模拟仿真。从理论上对电路进行了分析。选择合适预案器件，设计出满足要求三极管混频器。设计一个三极管混频器，要求中心频率为10MHZ，本振频率为。1.3 混频器工作原理及系统框图一个实际应用中调幅收音机混频

2、电路主要功能是使信号自某一频率变换成另外一个频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。它能将高频载波信号或已调波信号进行频率变换，将其变换为频率固定中频信号。而变换后信号，它频谱内部结构与调制类型保持不变，改变仅仅是信号载波频率。混频电路类型较多，常用模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环形混频器、三极管混频器等。其中三极管混频器最为常用，其工作原理图如下：中频谐振回路混频器 高频信号 中频输出 f外 f中 本机振荡器 f本图1 系统原理图 从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路与中频滤波网络，各部分独立工作。本地振荡器产生稳定振荡信号(设其频率为),输入高频调幅波信号

3、（设其频率为），由于晶体管非线性特性，两个信号混合后会产生、 频率信号，然后通过中频滤波网络，取出 频率信号，调节好 、 大小使其差为中频频率，即所需要中频信号。以下是混频前后波形图与混频前后频谱图：图2混频前后波形图如上波形图可以看出，混频器上加了两个信号：输入调幅信号VS(t)与本振信号VL(t)，经过变频后，输出中频信号VI(t)。输出中频调幅波输入高频调幅波调幅规律完全相同，唯一差别就是频率不同。图3组成模型混频电路是一种典型频谱搬移电路，可以用相乘器与带通滤波器来实现这种搬移，如图3所示。图4混频前后频谱图若设输入调幅信号VS(t),相应频谱如图4（b）所示，当时，相乘器输出电压频谱

4、如图4（c）所示，即将VS(t)频谱不失真地搬移到本振角频率wc两边，一边搬移到()上，构成角频率为()调幅信号；另一边搬移到()上，构成角频率为()调幅信号。若令 ，则前者为无用寄生分量，而后者则为有用中频分量。因此调谐在上带通滤波器频带宽度应大于或等于输入调幅信号频谱宽度。 本课程设计我电路是用10MHZ交流信号电压源、本振电路（产生）、三极管混频器电路以及选频电路组成。信号源所产生10MHZ正弦波及本振电路所产生正弦波通过三极管进行混频后产生与频、差频信号及其它频率信号，然后通过滤波网络滤掉不需要频率分量，取出差频（）信号，即为所需信号。2 电路设计及其原理分析 本地振荡电路是本设计电路

5、重要部分，同时也是超外差式接收机主要部分。其作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生正弦高频信号及输入高频调幅信号通过混频电路得到、信号，其中为本地振荡器产生正弦信号频率，为输入高频调幅波信号频率，通过中频滤波器得到中频信号。即本地振荡器主要是产生一个正弦高频信号，若振荡器不能够稳定工作，就会使产生中频信号不稳定，为此我们必须保证振荡器稳定性，故这里采用高稳定度西勒振荡器。 正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器及负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身正反馈信号来代替外加

6、激励信号作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性有源器件直接及谐振电路相接，产生振荡。本设计中用是反馈式振荡器，图5即为LC三点式反馈式振荡器原理图。通过我们对高频电路学习知道，三点式振荡电路组成法则是：交流通路中三极管三个电极及谐振回路三个引出端点相连接，其中及发射极相接为两个同性质电抗，而另一个（接在集电极及基极间）为异性质电抗。图5三点式振荡器原理电路 如图6所示，此次设计本振电路采用是西勒振荡器，它是改进型电容三点式振荡器，其主要特点是在回路电感L两端并联了可变电容C4，而C3为固定值电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，回路总等效电容为：振荡频率为：图6本地振荡电路

7、图7交流等效电路 根据西勒振荡电路特点，C3大小对电路性能有很大影响。因为频率是靠调节C4来改变，所以C3不能过大，否则振荡频率主要由C3与L决定，因为将限制频率调节范围。此外，C3过大也不利于消除晶体管极间电容影响。 在西勒振荡电路中，L与C1-C4值可用式（1.2.1）计算出，不过若L及C比值太小话，在低频下难以振荡。有大致标准，即振荡频率为1MHZ时，L在10uH以上；10MHZ时L1uH。另需注意C1、C2大小，若C2/C1太小，波形就会受限制，同时也会增加输出波形中高次谐波。反之，若太大，不能够完全补偿振荡电路损耗而停振。 又由于本电路要产生信号，所以 即MHZ 综上所述，可以取值

8、其它主要器件参数如下，C5=300PF为基极耦合电容，R3=100用来限制射极电流，R1=12K,R2=2K为基极偏置电阻，用来给三极管确定一个合适静态工作点，L1为高频扼流圈。三极管混频器特点是电路简单，有较高变频增益，要求本振电压幅度较小，当信号电压较大时会产生非线性失真。 图8是三极管混频器原理电路。图中，L1C1为输入信号回路，调谐在上。L2C2为输出中频回路，调谐在上。本振电压 接在基极回路中，为基极静态偏置电压，由图可见，加在发射结上电压 。若将（）作为三极管等效基极偏置电压，用 表示,称之为时变基极偏压，则当输入信号电压很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流 图8三极管混频器

9、原理电路在时变偏压作用下，傅里叶级数展开式为中基波分量及输入信号电压相乘令，得到中频电流分量为其中 称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值对输入信号电压幅值之比，其值等于中基波分量一半。若设中频回路谐振电阻为Re，则所需中频输出电压 ， 相应混频增益为综上所述，在满足线性时变条件下，三极管混频电路混频增益及成正比。而又及与静态偏置有关。 如图9为晶体混频器设计电路。电路输入信号（用10MHZ信号源代替）及本振电压分别从基极输入与发射极注入。该电路主要由Q2与选频回路（图10）组成。图9晶体三极管混频电路图10选频电路 在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要振荡信号，这种振荡称为计生振

10、荡。为了电源去耦，消除由公共电源引起多级寄生振荡，在设计电路时加入了C8、C12、L5。而在信号源连接处加一电容是为了滤波用，如C6、C7、C10。R4、R5、R6用来确定静态工作点，通过改变电阻R4值来改变混频器晶体工作点，使其工作在适合非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。而选频电路取值：倒推可得： 从而通过对结合仿真效果，可取L=3uH，C=200pF。 图11总电路图3 三极管混频器仿真与调试Multisim软件是迄今为止，在电路级仿真上表现最为出色软件，有了Multisim软件，就相当于拥有了一个设备齐全实验室，可以非常方便从事电路设计、仿真、分析工作。Multisim软件前身是加

11、拿大IIT(Electronics Workbench)，后来，EWB将原先版本中仿真设计模板更名为Multisim，之后又相继推出了Multisim2001、Multisim7等各个版本。2005年后，加拿大IIT公司隶属于美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI公司），美国NI公司于2005年12月首次推出Multisim9版本。Multisim9最大改变就是将Multisim计算机仿真及虚拟仪器进行了完美结合。2007年初该公司又推出了NI Multisim10版本。相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观人机交互界面，并且提供更加丰富元件库、仪表库与各种分析方

12、法。完全满足电路中各种仿真需要。2010年1月NI公司下属Electronics Workbench Group又推出了NI Multisim11。该版本是NI公司电子线路仿真软件最新版本。 本地振荡电路仿真结果如下图12本地振荡电路仿真结果 三极管混频电路仿真及调试： 当R4为时输出频率与输出波形如下所示：图13 R4为时仿真结果 从仿真结果看稍有失真，猜测可能是此时R4=时静态工作点调制不是很理想，所以通过对滑动变阻器R4调试，应该可以取得最大不失真信号。即当R4=时，波形如下图14所示，明显失真更小，而当R4=时，波形如图15所示，波形又开始失真，所以当R4=时，工作状态最好。图14 R

13、4=时仿真结果图15 R4=时仿真结果4 总结本次课程设计是使用multisim10软件设计一个晶体三极管混频器，系统三个主要部分是本地振荡电路、晶体管混频器与选频电路。在做课程设计之前复习之前学高频电子线路，把理论知识掌握然后根据理论去设计。通过查找资料，结合书中所学知识并参考了多个相关设计电路图，在multisim软件中绘制并仿真。在设计各个环节中都遇到了很多问题：首先，参数选定很难，课堂上基本上是分析电路原理功能与计算电路性能指标，很少要计算选定器件参数，从资料或网上得到数据很多都有问题，必须经过修正与调试才能确定出器件参数，只有正确参数，才能够设计出我们所想要输出结果；其次有些时候理论

14、上符合要求电路，仿真后却得不到相应结果。也正是这些问题出现，让我学到了更多知识，以及设计技巧。出现问题时候，首先思考问题环节，然后通过上网查询及翻阅相关书籍，请教其他同学在这个过程中对以前所学知识有了更深刻了解，也明白了所学知识应用范围，收获很多。通过这次课程设计，让我感受到理论应用于实际中难度，认识到理论联系实际重要性。我做三极管混频器所应用到理论知识都是书上经典知识点，因此对课本知识也有了进一步理解，也意识到自己对课本知识理解不够到位，知识面不够广，分析电路也有点吃力，我想这对我以后学习有很大促进作用。在之前课程中虽然学习了很多仿真软件如：protel、protues等，但这次课程设计所用

15、multisim10软件虽然没有接触过，但通过查阅相关书籍、网上搜索，学会了这个软件使用，这个虚拟电子实验室可以仿真各种电路。应用过程中我发现了这个软件功能强大，操作简单，可以免去直接用硬件做实验带来各种麻烦。参考文献1谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路非线性部分（第四版）.高等教育出版社 2010年2 蒋卓勤，黄天录，邓玉元.Multisim及其在电子设计中应用（第二版）.西安电子科技大学出版社 2011年6月3谢自美.电子线路设计及实验测试（第二版）.华中科技大学出版社 2010年 4蒋卓勤，邓玉元.Multisim 2001及其在电子设计中应用.西安电子科技大学出版社 2003年10月5曹才开.高频电子线路原理及实践.中南大学出版社 2010年6李银华.电子线路设计指导.北京航天航空大学出版社 2005年6月附录表1 元器件清单指导教师评语成绩评定指导教师签字：年 月 日答辩小组评语成绩评定答辩小组签字：年 月 日第 10 页