變頻器(高頻電子技術(shù))

1、僅供個(gè)人參考高頻電子技術(shù)第五章變頻器§5.1 概述線性元件:元件參數(shù)與通過(guò)元件的電流或施于其上的電壓無(wú)關(guān)。如電阻、電容、空氣芯電感等。從伏安特性曲線上來(lái)看是一條直線。非線性元件:參數(shù)與通過(guò)元件的電流或施于其上的電壓有關(guān)。如通過(guò)二極管的電流大小不同，二極管的內(nèi)阻值不同，帶磁芯的電感線圈其電感量隨通過(guò)線圈的電流變化。從伏安特性曲線上來(lái)看是一條曲線。時(shí)變參量元件：元件參數(shù)按照一定的規(guī)律隨時(shí)間變化。如某大信號(hào)作用于晶體管的基極，由于大信號(hào)的控制作用，引起晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)隨大信號(hào)的變化而變化，從而使晶體管的跨導(dǎo)隨時(shí)間變化。§5.2 非線性元件的特性5.2.2 非線性元件的頻率變換作用

2、(P160)1 .線性電路如果在線性電阻元件上加某一頻率的正弦電壓，那么在電阻中就會(huì)產(chǎn)生同一頻率的正弦電流，即電壓和電流具有同樣的波形。圖_2 .非線性電路如果在二極管兩端加某一頻率8的正弦電壓，那么在二級(jí)管中產(chǎn)生的電流波形與電壓并不相同，如果將該電流用傅里葉級(jí)數(shù)展開，可以發(fā)現(xiàn)其頻譜中包含電壓頻率成分缶外，還產(chǎn)生了6的各次譜波及直流成分，即二極管具有頻率變換的能力。圖_例：設(shè)非線性電阻的伏安特性曲線具有拋物線形狀，即i=kv2,當(dāng)該元件上施加兩個(gè)正弦電壓v1=v1msin。1t和丫2=v2msin62t時(shí)，可以求出電流的表達(dá)式：2,2.2,2.2i=k(v1msin'1tv2msin2

3、t)=kv1msin1tkv2msin2t2kv1mv2msin-tsin12tk/22k2k23 -(V1mV2m)kV1mV2mC0s(112)tkVmV2mCOs(1-'2)t-二MmC0s21t一二V2mC0s2'?t222可見，電流中不僅出現(xiàn)了輸入電壓的二次諧波，還出現(xiàn)了和頻叫+62和差頻叫-82以及直流k,22成分一(丫佃+V2m),這些都是輸入電壓中沒(méi)有包含的。25.2.3 非線性電路不滿足疊加定理(P161)線性電阻：i=v空=vmsintvmsin，2tRRRR非線性電阻假如根據(jù)疊加定理，應(yīng)為V1和v2分別單獨(dú)作用產(chǎn)生的電流之和，即：.2.2.2.2,.2.2

4、,i=kv1kv2=kv1msin，1tkv2msin2t但實(shí)際上：i=k(%msinitV2msin2t)2=kvi2msin2itkvmsin2,t2k%mV2mSinitsin，2t上述兩式顯然不相同，即非線性電路不能應(yīng)用疊加原理。不得用于商業(yè)用途§5.4線性時(shí)變參量電路分析法5.4.1 時(shí)變跨導(dǎo)電路分析(P168)晶體管在小信號(hào)工作狀態(tài)下的電流源可以寫成(混合兀模型)i=gmVbemCOSst如果可以使器件的跨導(dǎo)gm按某一頻率隨時(shí)間作周期性變化，則函數(shù)i中就會(huì)出現(xiàn)不同角頻率的兩個(gè)三角函數(shù)的乘積項(xiàng)，從而形成兩個(gè)不同頻率的和頻和差頻分量，提供實(shí)現(xiàn)頻率變換的可能性。VBBVcc時(shí)變

5、跨導(dǎo)電路原理圖：圖*簡(jiǎn)諧振動(dòng):物體在受到大小跟位移成正比，而方向恒相反的合外力作用下的運(yùn)動(dòng)。泰勒級(jí)數(shù):f(x)在x=x0點(diǎn)的Taylor展開式為f(X)=f(X°)f(Xo)(X-Xo)1f(Xo)(X-Xo)2-f(n)(Xo)(X-X0)n2!n!等式右端稱為f(x)在x=x0點(diǎn)的Taylor級(jí)數(shù)。*一個(gè)振幅較大的簡(jiǎn)諧振蕩電壓v0與幅度較小的電壓信號(hào)vs同時(shí)作用于晶體管(非線性器件)的輸入端，其中V0較大，而Vs較小，可以認(rèn)為器件參量基本上是受v0控制,而對(duì)于Vs,在其變化范圍內(nèi)近似認(rèn)為器件參量為常數(shù)(處于線性工作狀態(tài))。器件參量(跨導(dǎo))隨簡(jiǎn)諧振蕩電壓V0周期性改變，因此該電路為

6、線性時(shí)變參量(跨導(dǎo))電路。在V°m»Vsm的情況下，可以認(rèn)為該電路是信號(hào)電壓為Vs,靜態(tài)工作點(diǎn)電壓為Vb=Vbb+V°mCOs60t的小信號(hào)放大器。此時(shí)(忽略三極管內(nèi)部反饋和集電極電壓反作用)基極與集電極電流的關(guān)系可以表示為iC=f(vBE)，其中，vBE=vB+vs為工作點(diǎn)由壓和信號(hào)由壓的和。將上式用泰勒級(jí)數(shù)在VB處展開，得_.1_2ic=f(VB)f(Vb)Vsf(Vb)Vs2由于vs很小，忽略二次方以上各項(xiàng)的影響，可得ic：f(Vb)f(Vb)Vs由上式可以看出，f(Vb)顯然為電流量綱，為Vbe=Vb(靜態(tài)工作點(diǎn)電壓)時(shí)的靜態(tài)集電極電流；f(VB)為晶體管

7、跨導(dǎo)(與Vs相乘后體現(xiàn)輸入信號(hào)在集電極中的電流)。顯然f(Vb)和f'(Vb)都是簡(jiǎn)諧振蕩電壓v0的函數(shù)(vB是v0的函數(shù)：vB=VBB+V0mcos80t)。將vB=VBB+V0mcoso0t和vs=Vsmcoscc1st代入上式可得cd(由ic=Ikcosktk0ic:(IcoIcmlcosotIcm2COS2ot)(goglCOSotg2cos2,0tDVsmCOSstVs = Vsm cosco st的乘積將產(chǎn)由上式可以看出，受Vo控制的晶體管跨導(dǎo)的基波和諧波分量與信號(hào)生和頻與差頻所組成的新的頻率分量。5.4.4開關(guān)函數(shù)分析法(P173)圖DV2(t)設(shè)小信號(hào)：v1(t)=Mc

8、os%t,大信號(hào)：V2(t)=V2cos82t則二極管的通斷主要受大信號(hào)的控制，工作于開關(guān)狀態(tài)。通過(guò)負(fù)載的電流：i =rd1,、(Vi V2)Rl0(V2 :二 0)將二極管的開關(guān)作用用開關(guān)函數(shù)表示為S(t)= <(V20)(V2 :二 0)1則通過(guò)負(fù)載的電流為i=一S(t)(v1v2)rdRl2二S(t)為周期T0=的周期函數(shù)，展開傅里葉級(jí)數(shù)得'124(-1)n 1(2n -1)二cos(2n - 1) 2t故通過(guò)負(fù)載的電流:1i=-S(t)(v1V2)rdRl1二4(-1)n1二4(-1)n1=v1v2vcos(2n-1)2tv2"cos(2n-1)2t2(rd-R

9、l)n4(2n-1)二n二(2n-1)二=V1cos，1tV2cos，2t2(1Rl).，二4(-1)n1二4(-1)n1-八,Mcos，1tcos(2n-1)2tV2cos2tcos(2n-1)2tn(2n-1)二n二(2n-1)二可見，電流中包含如下成分：(1).和丫2的頻率成分叫與82；(2)當(dāng)n=1時(shí)，可得到吊和v2的和頻叫+«2與差頻以-o2；%與v2的奇次諧波的和頻叫+(2n+1)2與差頻以一(2門+1沖2;(4)V2的偶次諧波分量；，一4一，一當(dāng)n=1時(shí)，由V2cos62tcos®2t可得到直流成分。冗如果82為本地振蕩頻率00.叫為信號(hào)頻率宗位載回路調(diào)諧干叫

10、+缶2或81一62，就可以實(shí)現(xiàn)變頻。§5.5變頻器的工作原理一、變頻器工作原理（P175）所謂變頻,就是把高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率變換，變?yōu)橐粋€(gè)固定頻率。實(shí)際中，通常是把已調(diào)高頻信號(hào)的載波頻率通過(guò)頻率變換，從高頻變?yōu)橹蓄l，同時(shí)保持其調(diào)制規(guī)律不變。具有這種功能的電路稱為混頻電路（混頻器）或變頻電路（變頻器）。例：吐輸出的中頻調(diào)幅波與輸入的高頻調(diào)幅波的調(diào)制規(guī)律完全相同，只是中心頻率產(chǎn)生的搬移，但已調(diào)信號(hào)的上、下邊頻搬移到中頻位置后,變成了下、上邊頻。實(shí)際中也可能將高頻信號(hào)變?yōu)轭l率更高的高中頻信號(hào)，輸出的高中頻可以取本振信號(hào)頻率和輸入信號(hào)的差頻，也可以取和頻。設(shè)混頻器的兩個(gè)輸入信號(hào)均為正弦波，混頻

11、器的伏安特性為21 =bobivb2vi =bo bVsmCOS st - biVom COS ot122 b2Vsm將v=（Vs+v0）=VsmCOSst+V°mCOS00t代入上式得121212b2Vsmcos2,stb2VombzVomCOS20t222b2VsmVomCOs(os)tCOs(os)t可見，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，電流中不僅包含基波（o0,cos）成分，同時(shí)還產(chǎn)生了其他頻率成分（直流，二次諧波，和頻和差頻）。通常，振幅為bVsmV0m的差頻分量切0-os就是變頻所需要的中頻成分叫。這時(shí)在輸出端接入一個(gè)中心頻率為叫的濾波網(wǎng)絡(luò)，就能選出中頻成分，

12、濾除其他成分。二、變頻器的主要質(zhì)量指標(biāo)（P177）1 .變頻器中頻輸出電壓振幅Vim與高頻輸入信號(hào)電壓振幅Vsm的比值，稱為變頻電壓增益或變頻放大系數(shù):P變頻器中頻輸出信號(hào)功率Pi與高頻輸入信號(hào)功率Ps的比值：稱為變頻功率增益：Apc=Ps2 .失真和干擾失真分別為線性失真和非線性失真。這里注意非線性失真會(huì)產(chǎn)生組合頻率、交叉調(diào)制與互相調(diào)制、阻塞和倒易混頻等干擾，這些是混頻器產(chǎn)生的特有干擾。3 .選擇性接受有用信號(hào)（中頻），排除干擾的能力。4 .噪聲系數(shù)§5.6晶體管混頻器晶體管混頻器的變頻增益較高，因此有著廣泛的應(yīng)用。巴(a)(b)為共發(fā)射極電路：(a)共射接法輸入阻抗較大，因此混頻

13、時(shí)需要本地振蕩的注入功率較小，容易起振，但是由于輸入信號(hào)和本地振蕩電壓采用直接耦合的方式接入電路，因此相互影響較大；(b)輸入信號(hào)和本地振蕩電壓分別從基極和發(fā)射極輸入，因此相互干擾較小。但需要的本振輸入功率較大，這種電路應(yīng)用較多；(c)(d)為共基極電路，在頻率較低時(shí)一般不采用，但在較高頻率(幾十兆)工作時(shí)，因?yàn)楣不鶚O電路的頻率特性好，所以在較高頻率時(shí)也有采用共基接法的。一、晶體管混頻器分析(看成線性參變?cè)?1.變頻跨導(dǎo)(僅對(duì)變頻部分頻率分量來(lái)說(shuō)的晶體管跨導(dǎo))圖設(shè)本振信號(hào)Vo很大,車俞入信號(hào)Vs很小,因此?昆頻器的跨導(dǎo)隨Vo周期性地變化，而對(duì)于Vs,無(wú)論工作在伏安特性曲線的哪一區(qū)域，都可以認(rèn)

14、為特性是線性的。集電極電流可以寫成如下形式：ic=f(Vbe)=f(VbbVoVs)其中Vbb為直流偏置電壓。根據(jù)ic:(IcoIcmicosotIcm2cos2°t)(gogcos°tg?cos20t)VsmCOSst如果中頻頻差取叫=800s,則中頻電流分量為iimnVsm"cOsQo-包尤(振幅為limjm%22輸出的中頻電流振幅。與輸入的高頻電壓振幅Vsm的比值稱為變頻跨導(dǎo)gc:晶體管跨導(dǎo):msmcg(t)=g°gicosotg2cos20tT2rg(t)cosotdt"2實(shí)際中g(shù)1往往通過(guò)圖解法進(jìn)行近似計(jì)算：圖_gvbe設(shè)在本振電壓v

15、o的作用下，跨導(dǎo)不超出線性范圍，即g(t)僅取前兩項(xiàng):g(t)=g0+g1cos«ot(go為工作點(diǎn)跨導(dǎo))由圖可知：g1gmax-gmingmaxa：靜態(tài)工作點(diǎn)的跨導(dǎo):gg0=一maxgmingmaxSts故當(dāng)gmax»gmin時(shí)，可得g1=g0gmaxst即gi可以認(rèn)為等于工作點(diǎn)跨導(dǎo)go,貝U變頻跨導(dǎo)gc1=2g1gmax實(shí)際證明gc=(0.350.7)Ie/261(；26rbb)2其中切T為晶體管特征角頻率（單位增益帶寬）IE為工作點(diǎn)電流。2.變頻增益O-+VsgcGlViTgcVs圖中，gic為輸入電導(dǎo)，goc為輸出電導(dǎo)，gc為變頻跨導(dǎo)（僅考察變頻部分頻率分量的作用）

16、為負(fù)載電導(dǎo)。由圖中輸出部分可得Vi=gcVsgocGl變頻電壓增益（中頻輸出電壓振幅Vm與高頻輸入信號(hào)電壓振幅Vsm的比值）為Vi2VgcgocGl變頻功率增益為ApcVi2GLVs2gicgc1goc+GlJgicAGLAvcgicWGl=goc此變頻功率增益最大：Apcmax2gc4gicgoc§5.7二極管混頻器品住管混頻器變頻增益高，但組合頻率較多，干擾嚴(yán)重;二H混頻器則組合頻率較少，噪聲小，但變頻增益小于1。5.7.1 二極管平衡混頻器（P184）DiD2（a）原理性電路Di+RL vi/2- -RL vi/2（b）等效電路Tri和T2的中心抽頭兩邊對(duì)稱，信號(hào)電壓（小信號(hào)）

17、vs=Vsmcoscost,振蕩電壓（大信號(hào)）vo =V°m COSCOot,兩個(gè)二極管受大信號(hào)vo的控制工作于開關(guān)狀態(tài)（開關(guān)頻率）0 0。引用-1s=21 %4(-1)n 1(2n -1)-：cos(2n _1) '0t此時(shí)流經(jīng)兩個(gè)二極管的電流分別為i1Rlc1S(t)(v02vs)1_1 ，二i =i1 -i2 = - S(t)vs =三-1rdRl2(rdRl)ndn 14(-1)(2n -1)二cos(2n-1) 0tVsmcos st由上式可知，二極管平衡混頻器的輸出頻率分量有:露，通。±"3'o±R,5,±切，和晶體

18、管混頻器對(duì)比:由式（ic%(Ic。+Icm1cos%t+Icm2COs2&t+一)+(g。+&cos。ot+g28$2。ot+)VsmCO*st可知，晶體管混頻器的輸出頻率分量有:%,260,30o,"%±九,2"3九士3，比較得出，二極管平衡混頻器輸出的頻率分量大為減少。5.7.2 二極管環(huán)形混頻器（雙平衡混頻器）（P185）DiV0圖5.7.2環(huán)形混頻器（P185）本振電壓從Tri和Tr2的中心抽頭加入，四個(gè)二極管均按開關(guān)狀態(tài)工作，虛線箭頭表示本振電壓在正半周的電流方向,實(shí)線箭頭表示本振電壓在負(fù)半周的電流方向。實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)平衡混頻器的組合。

19、1 .本振電壓正半周：圖二極管Di與D3導(dǎo)通，D2與D4截止，相當(dāng)于二極管平衡混頻器，故在Tr2初級(jí)產(chǎn)生的電流為:1i=ii-i3=S(t)VsQRl2 .本振曲壓位半周：圖二極管D2與D4導(dǎo)通，Di與D3截止，仍相當(dāng)于二極管平衡混頻器，在T2初級(jí)產(chǎn)生的電流為:i = i4 - i2 =1-I、-S(t)VsQRl3.正半周和負(fù)半周相加-*- T 1S (t) =S(t )=22"t2二3 二c ，2，cos3 0t - cos5 -0t5 二1S(t)= 2二 4(-1)n 111 ：.(2(n-1),COS(2n-1b0t2 cos 0t _2- ,2-,cos3 0t cos5

20、 0t3二5 二-S(t)-S(t)vsQRl'， (r4，Vs cos stcos 0t -八.4-，cos30tcos50t5二可見，輸出電流中頻率成分為跖±%,3w0±m,5co0,（消去了8s）。因此非線性產(chǎn)物進(jìn)一步被抑制。§5.9混頻器中的干擾5.9.1 組合頻率干擾(干擾哨聲)和副波道干擾(P190)一、組合頻率干擾令fi=f0_fs,組合頻率分量通式fk=pf0一qfs或fk=pf0+qfs如果fk定fi,則組合頻率干擾信號(hào)就能進(jìn)入中頻放大器，產(chǎn)生干擾哨聲。fi = fo - fsfk 二 pfo 一 qfs工fi = fo _ fs 和J

21、i 0 s在fk = -pfo +qffi的條件下分別求解得p - 1fs 之-fi ； fsq - pp1p_1%fi，即fs定fiq-pq-p因此，當(dāng)中頻fi一定時(shí)，只要信號(hào)頻率接近上式計(jì)算出來(lái)的數(shù)值，就可能引入干擾哨聲。、組合副波道干擾如果混頻器之前的高頻放大器選擇性不好，干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器，它們與本振頻率的諧波也可能形成接近中頻的組合頻率干擾，這種組合頻率干擾也稱組合副波道干擾。即當(dāng)fi電pf0qfn或fi定pf0+qfn時(shí)，就會(huì)引入干擾，其中fn為干擾頻率。-1.此時(shí)fn(pf0fi)=pfs(p-Dfiq三、副波道干擾在組合副波道干擾中，有些特定頻率的干擾稱為副波道干擾：中頻干擾、

22、鏡像頻率干擾1.中頻干擾.1.,r.,、_fn-一(pf0±fi)中p=0,q=1,即fn忠fi時(shí)，這種情況下的干擾信號(hào)稱為中頻干擾。q2.鏡像頻率干擾1 ，一，fn上一(pf0士fi)=pfs+(p±1)fi中p=1，q=1，即fn定fs+2fi時(shí)，此時(shí)qfs=f0-fi，fn=f0+fi，即信號(hào)頻率與干擾頻率對(duì)稱地分布在本振f0兩側(cè)，這種情況下的干擾稱為鏡像頻率干擾。5.9.2 交叉調(diào)制(P191)產(chǎn)生原因:接收機(jī)前端電路的選擇性不好，使有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)的輸入端,且這兩種信號(hào)都是音頻調(diào)制信號(hào)(干擾信號(hào)也是一種有用信號(hào))，就會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制干擾現(xiàn)象。措施:提高前端電路的選擇性。5.9.3 互相調(diào)制(互調(diào))(P192)產(chǎn)生原因:有兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)的輸入端,由于放大器的非線性使干擾信號(hào)互相混頻,就可