東華大學(xué)高頻電子電路通信電子電路7-6

1、§ 7.5 混頻電路本節(jié)我們將討論下述幾個問題1.進行變頻的原因，混頻器的作用。2.變頻器的基本原理及數(shù)學(xué)分析。3.晶體三極管變頻電路的基本原理。4.變頻器的主要性能指標(biāo)。5.變頻干擾。§ 7.5 .1 概述定義：混頻是將已調(diào)波中 載波頻率 變換為中頻頻率 ，而保持調(diào)制規(guī)律不變 的頻率變換過程。地位：超外差接收機的重要組成部分（下變頻）；發(fā)射機的重要組成部分（上變頻） 。接收機中 混頻器的作用：將天線上感應(yīng)的輸入高頻信號變換為固定的中頻信號；發(fā)射機中 混頻器的作用：將中頻信號變換為射頻信號。重要性：靠近天線，直接影響接收機的性能。種類：一般接收機中：三極管混頻器。 高質(zhì)量通

2、信接收機：二極管環(huán)形混頻器、雙差分對平衡調(diào)制器混頻器。1. 混頻器與變頻器的差別混頻器和變頻器的功能是一致的， 都是頻率變換電路， 是頻譜線性搬移 過程。其差別在于：混頻電路中 ，本振信號由外部提供；變頻電路中 ，本振信號由電路自身產(chǎn)生。變頻器 混頻器 +本機振蕩器四端口網(wǎng)絡(luò)六端口網(wǎng)絡(luò)因為二者功能相同，因此很多參考書不加區(qū)別。但嚴(yán)格意義上是有差別的。為什么要進行變頻？(1) 要實現(xiàn)寬帶，有一定增益的高頻放大器非常困難，且要在頻率很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的選頻特性也很困難。例如，調(diào)幅收音機頻率范圍 5351605K，調(diào)頻收音機的頻率范圍 88108MHz要在整個頻帶內(nèi) 兼顧增益和選擇性 很困難。相比

3、之下，固定頻率的中頻放大器的增益和選擇性都可以做得很好。(2) 在超外差接收機中，采用變頻器，將接收到的射頻信號變?yōu)?固定的中頻 ，在中頻上放大信號，放大器的增益可以做得很高，選頻特性可做得很好， 且電路結(jié)構(gòu)簡單。經(jīng)中頻放大后， 輸入到檢波器的信號可達到伏特數(shù)量級?；祛l達到的目的：將寬帶的射頻信號固定的中頻信號有利于兼顧選頻和增益 提高接收機的靈敏度，也就是提高接收微弱信號的能力。知識點（了解）：調(diào)幅收音機頻率范圍5351605K，中頻 465KHz；調(diào)頻收音機的頻率范圍 88108MHz ，中頻為 10.7MHz。電視接收機也可采用超外差式方案， 電視接收機 視頻信號中頻 為 38MHz 。

4、音頻信號的中頻為 6.5MHz。微波接收機和衛(wèi)星接收機的中頻信號為 70MHz 或 140MHz。2.混頻器的組成及變頻作用fI , fS及f L的關(guān)系i )混頻器取出二個輸入信號的差頻，即（高本振）或fI（低本振）f I fL fSfS fL這時 fIfS，稱為下變頻 (downconverter), 用于接收機；ii )混頻器取出二個輸入信號的和頻，即 fI fL fS，;這時 fIfS，稱為上變頻 (upconverter), 用于發(fā)射機。變頻（混頻）的作用：改變輸入信號的載波頻率， 保持調(diào)制規(guī)律不變。下面給出調(diào)制信號為單頻信號時混頻器功能示意圖uS (t)uL (t)uI (t )調(diào)制

5、信號為音頻信號時混頻器功能示意圖結(jié)論：混頻實現(xiàn) 頻譜的線性搬移 ，即頻譜結(jié)構(gòu)不變，從載頻附近搬移到中頻附近。信號各頻譜分量的 相對位置（頻率間隔）相對幅度（幅度的比例關(guān)系） 不變。3. 變頻基本原理的數(shù)學(xué)分析冪函數(shù)如果在非線性器件上同時加上二個高頻信號 uL (t)和uS (t) ，只要使變頻器工作于變頻管 輸入特性曲線的彎曲部分，就會在其輸出電流中產(chǎn)生新的頻率成分。非線性器件的電流可用冪級數(shù)來表示i aa ( u)a ( u)2(641)012其中，uuS (t)uL (t)VSm cosS tVLm cosL t取(6 4 1)的前三項i aa uS(t)uL(t)a uS(t) uL(t

6、 )2012aa (VcosSt VcosLt)a2 (V2V2 )01SmLm2SmLma2(V2 cos2StV2 cos2Lt)2SmLma2VSmVLm cos(SL )tcos(SL )t 根據(jù)以上分析，由于非線性器件中伏安特性的平方項，在 uS (t), uL (t ) 的共同作用下，產(chǎn)生了 新的頻率成分 ：差頻分量 ( 諧波成分 2 若選擇差頻若選擇和頻SL) ；和頻成分(SL)；S，2L(SL) ，則稱為 下變頻(SL)，則稱為 上變頻注意：混頻器后面一定要跟濾波器 。4.變頻器的主要性能指標(biāo)衡量混頻器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)有：變頻增益，噪聲系數(shù)，動態(tài)范圍，失真干擾等。1）變頻增益

7、（或變頻損耗）表征混頻器將輸入 高頻信號 轉(zhuǎn)換為 輸出中頻信號 的能力。定義：混頻器輸出 中頻電壓幅值 VIm 與輸入信號電壓幅值 VSm 的比值A(chǔ)VVImVSm （6-4-2）變頻增益常以分貝表示。Gp10lg PI (dB)用功率表示PSA20lg VIm以電壓表示cVSm （dB）PI , PS 分別是輸出的中頻功率 和輸入高頻信號的功率 。在相同輸入信號情況下，分貝數(shù)越大，表明變頻增益越高，變頻器將輸入信號變換為輸出中頻信號的能力越強。 接收機的靈敏度越高。變頻損耗 是對不具備混頻增益的混頻器而言的，它定義為在最大功率傳輸條件下，輸入信號功率 Ps 對輸出中頻功率 PI 的比值，PS用

8、 dB（分貝）表示，即 LC 10lg PI (dB) 顯然，在相同輸入信號情況下， 分貝數(shù)越大，即混頻損耗越大， 混頻器將輸入信號變換為輸出中頻信號的能力越差 。2）噪聲系數(shù)混頻器處于接收機的前端， 它的噪聲電平高低對整機影響很大， 降低混頻器的噪聲十分重要?；祛l器的噪聲系數(shù)NF 是指在混頻器輸入端信號頻率 f S 上的輸入信噪比與在混頻器輸出端中頻頻率 f I 上的輸出信噪比NF輸入信噪比（在信號頻率fS上） (S / N )i輸出信噪比（在中頻頻率f I 上） (S / N )oNF10lg (S / N )i (dB)(S / N )o如果混頻器不存在內(nèi)部噪聲， 則其輸出信噪比與輸入信

9、噪比一樣，即 NF1，這是理想狀態(tài) 。實際上混頻器內(nèi)部總是存在噪聲的， 使輸出信噪比小于輸入信噪比，所以 NF 總是大于 1。NF 越大，說明混頻器 內(nèi)部噪聲越大 ，使輸入信噪比降低程度越大。 因此要求NF 盡可能小。混頻器的內(nèi)部噪聲主要由非線性器件產(chǎn)生，選擇低噪聲混頻管；選擇合適的混頻器工作點和本振電壓 ，可以減小混頻器的內(nèi)部噪聲，從而獲得較小的混頻噪聲系數(shù)。3)1dB 壓縮電平（ 1dB Compression Level）增益壓縮 的概念（混頻器和放大器中重要的概念）理想混頻器 的混頻增益為常數(shù)，即VImAV常數(shù)VSm輸出的中頻信號振幅VIm輸入已調(diào)波信號的振幅VSm實際情況當(dāng)輸入信號功

10、率較小時， 混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率 線性增大。由于器件的非線性，當(dāng)輸入信號功率增大到一定程度，輸出中頻功率的增大 將趨于緩慢 ，出現(xiàn)增益壓縮 的現(xiàn)象。隨著輸入信號VSm 的加大，變頻增益將會減小，這一現(xiàn)象稱為 增益壓縮。定義：混頻器實際功率增益低于理想線性功率增益 1dB 時所對應(yīng)的 中頻功率電平稱為 1dB 壓縮電平，用 PI1dB 表示，如下圖所示。意義： PI1dB 所對應(yīng)的 PS 是混頻器動態(tài)范圍的上限電平。注意以下幾個問題的理解：i)當(dāng)輸入信號功率較低時，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率 線性增大。ii) 當(dāng)輸入信號增大到一定程度， 由于器件的非線性作用

11、，中頻輸出信號的幅度不再與輸入信號成線性關(guān)系， 輸出中頻信號功率的增幅隨輸入信號的增加而趨于緩慢，直到比線性增長低1dB 時所對應(yīng)的輸出中頻功率稱為1dB 壓縮電平，用PI 1dB 表示。iii) 混頻器的動態(tài)范圍指混頻器正常工作時的射頻信號輸入功率范圍。動態(tài)范圍的 下限電平 是由噪聲系數(shù)決定的最小輸入信號功率。動態(tài)范圍的 上限電平 是 PI 1dB 所對應(yīng)的輸入信號功率確定。輸出、輸入功率均用 dBm 作為單位。 dBm 是功率的單位，以 mW 的基準(zhǔn)1mW10lg 10dBm12mW10lg 23dBm110mW10lg1010dBm100mW=10lg10020dBmdB是增益的單位，無

12、量綱, 如： AV10lg PI (dB)PSP0 (dBm)Pi (dBm)G(dB)選擇性混頻器的有用成分為中頻， 輸出應(yīng)該 只有中頻信號 ，實際上由于各種因素會混雜很多干擾信號。因此為了抑制中頻以外的不需要的干擾，就要求混頻器的 高頻輸入 、中頻輸出回路 有良好的選擇性。選擇性主要取決于混頻器輸出端的中頻帶通濾波器 的性能。5) 混頻失真混頻器的失真主要有 : 非線性失真、 頻率失真來源： 接收機輸入端存在的干擾信號；混頻器件非線性 ，使輸出電流包含眾多無用組合頻率分量，若某些靠近中頻，則中頻濾波器無法將它們?yōu)V除， 疊加在有用中頻信號上，引起失真。如何減小失真與干擾是混頻器研究中的一個重

13、要問題，我們將在后面專門介紹。隔離度理論上要求混頻器的各端口之間是隔離的，任一端口上的功率不會竄通到其它端口。但在實際電路中， 總有極少量功率在各端口之間竄通。定義：本端口功率與其竄通到另一端口的功率之比 (用分貝表示 )。意義：用來評價竄通大小的性能指標(biāo)。危害：在接收機中，本振端口功率向輸入端口的竄通危害最大。原因：為保證混頻性能， 加在本振端口的本振功率都比較大， 當(dāng)它竄通到輸入信號端口時，就會通過輸入信號回路回到天線上，產(chǎn)生本振功率的反向輻射，嚴(yán)重干擾鄰近接收機。本振泄漏示意圖如下：§ 7.5 .2.混頻器電路及分析三極管混頻器二極管混頻器不適合于高度集成無線產(chǎn)品的設(shè)計原因：二

14、極管混頻器有損耗， 對終端敏感，并且要求相當(dāng)大的本振功率。 實現(xiàn)平衡和端口間隔離需要依賴于變壓器。晶體三極管混頻器最為 重要的應(yīng)用 在于高度集成和減小電流的場合。晶體三極管混頻的主要優(yōu)點：變頻增益大于 1（要求本振電壓的幅值較小 50200mV 之間）。通常 BJT 混頻器可有大約 20dB 的變頻增益，而 FET 混頻器有大約 10dB 的變頻增益。 BJT 轉(zhuǎn)移特性是指數(shù)函數(shù)， 所以互調(diào)失真較高。FET 轉(zhuǎn)移特性為平方律， 輸出電流中的組合頻率分量比 BJT 混頻器少得多，故互調(diào)失真小。所以， FET容許的輸入信號動態(tài)范圍大。在短波和超短波接收機中應(yīng)用廣泛1 晶體三極管混頻器的工作原理電路

15、的構(gòu)成：L1C1調(diào)諧于輸入的載波頻率f S (t)( fC (t) L2C2 調(diào)諧于中頻 f I 上。發(fā)射結(jié)上作用有三個電壓：直流偏置 VBB0 ，射頻信號電壓uS 和本振電壓 uL ，即uBEVBB0uL (t )+us (t)VBB (t)+us (t)為了減小非線性器件產(chǎn)生不需要的分量，一般情況下，使uL m，即本u Sm振信號 是大信號 ，而輸入信號 為小信號。在一個大信號 uL 和一個小信號 uS 同時作用于非線性器件時， 晶體管可近似看成小信號的 工作點隨大信號變化 而變化的線性元件。晶體管的工作點由 本振信號電壓 和偏置電壓共同確定。uBEQVBB0uL (t)VBB (t)VB

16、B (t) 隨時間變化，稱為 時變靜態(tài)工作點電壓。在 t1在 t 2在 t 3時刻，工作點為時刻，工作點為時刻，工作點為Q1 點；Q3 點；Q2 點參看課本 P157線性時變電路分析法。因為 uS 信號很小，因此對于uS 而言，晶體管可以近似看成工作于線性狀態(tài)，混頻器中的三極管工作在線性時變狀態(tài)。（關(guān)于線性時變工作狀態(tài)的解釋，看附件。）對于混頻器中的三極管iCf (uBE )I 0 (t)g(t )uS (t )(642)I 0 (t ) 為 uS0 時的電流，稱為 時變靜態(tài)電流；g(t) 是電流對電壓的變化率 (跨導(dǎo)，請看附件）I 0 (t) 和跨導(dǎo) g(t ) 都是時變的（圖 6.4.18

17、 所示）下面求解時變跨導(dǎo) g(t )（如圖 6.4.18 所示）（a）三極管轉(zhuǎn)移特性曲線iC uBE ，該曲線上各點的斜率即為跨導(dǎo)g ( t )iCuBEu B EV B B 0u L ( t )（b）根據(jù)各點切線的斜率畫出 g uBE ，（c）uBE 是 t 的函數(shù)，因此可畫出 g(t ) t 曲線圖 6.4.18 混頻器的時變跨導(dǎo)小結(jié)：線性時變工作狀態(tài)的來由 :線性： 由于 uS 是小信號，因此晶體管可視為工作于線性狀態(tài)。時變 ：由于工作點由 uL (t),VBB 共同確定，所以線性參量是隨時間變化的。 這種電路稱為 線性時變電路 。g(t) 是周期性的非正弦函數(shù)。 時變偏置電壓 VBB

18、(t ) 在 VBB0 的基礎(chǔ)上按本振電壓uL 的規(guī)律作周期性變化時，跨導(dǎo)g 也隨uL 作周期變化，形成時變跨導(dǎo)g(t) 。結(jié)論： g(t) 是一個隨uL 作周期變化的非正弦波，如圖 6.4.18 所示。將 g(t) 展開為傅立葉級數(shù)g(t) g0g1 cos Ltg2 cosL t其中， g01(t)d ( Lt),g2g11L t),g (t)cos( Lt)d(gn1g (t)cos( n L t )d( L t),由 (6-4-2)iC f (uBE ) I 0 (t ) g(t)uS (t)可知： g(t ) 中的基波分量 g1 cos( L t) 與輸入信號電壓 uS 相乘g1 c

19、os(L t ) VSm cosC t1g Vcos()tcos(21SmLCL（電導(dǎo)） （電壓）電流令I(lǐng)LC 得中頻電流分量，(LC )項被濾波器濾除iIcost1 g VcostIImI21 SmI其中， g mc 稱為混頻跨導(dǎo)C )t g mcVSm cosI t 混頻（變頻）跨導(dǎo)定義：輸出中頻電流 的幅值 I Im 與輸入信號電壓幅值 VSm 之比。功能：描述輸入信號電壓對輸出中頻電流的控制能力，用于衡量混頻器的變頻能力?；祛l（變頻）跨導(dǎo)和時變跨導(dǎo) g(t) 的關(guān)系：gmc12g1(時變跨導(dǎo)中基波分量幅度g1的一半)L2C2 回路的中頻輸出電壓uIRei IRe gmcVSm cos

20、I tVIm相應(yīng)的混頻增益為 AC= Vsm = gmc Re 其中， Re 為輸出中頻回路諧振電阻；gmcVSm 為中頻電流幅值?；祛l跨導(dǎo) gmc（即 gc ）越大 ,變頻增益 AV 越高。 gmc 與 ULm 和 V BB0 關(guān)系在滿足線性時變條件下， 三極管混頻電路的混頻增益與混頻跨導(dǎo) gmc 成正比VIm（ AC= Vsm = gmc Re）。而 gmc 大小與晶體管參數(shù)、本振電壓幅度 ULm 和靜態(tài)偏置電壓 V BB0 有關(guān)。圖6.4.20 分別畫出了 gmc 與 ULm 和 Eb(V BB0 )關(guān)系曲線。 圖 6.4.19(a)說明“如何畫出 g(t)的解析波形”三極管的轉(zhuǎn)移特性曲

21、性 uBE-iC，曲線上各點的斜率的連線即為跨導(dǎo)特性g(uBE) 。在 uBE = V BB (t) 的作用下，便可畫 出 g(t)波形。圖6.4.19(a)g(t) 的圖解分析圖 6.4.19(b)說明“g(t)、gmc 與本振 ULm的關(guān)系”圖6.4.19(b)g(t)、 gmc 與 ULm的關(guān)系圖 6.4.20 g(t)、gmc 與 Eb(V BB0)的關(guān)系結(jié)論： gmc 與本振信號幅值 ULm 和靜態(tài)偏置電壓 Eb （V BB0）的關(guān)系是非線性關(guān)系。ULm 和 Eb 過大或過小， gmc 都較小，只有在一定范圍內(nèi) gmc 較大。當(dāng) V BB0 （或 Eb）一定，ULm 由小增大時， g

22、mc 也相應(yīng)地增大， 直到 g (t) 趨近方波時，相應(yīng)的 gmc 便達到最大值。實際三極管混頻電路采用分壓式偏置電路，當(dāng) ULm 增大到一定值后，由于特性的非線性， 產(chǎn)生自給偏置效應(yīng)， 基極偏置電壓將自靜態(tài)值VBB0 向截止方向移動，因而相應(yīng)的gmc 也就比上述恒定偏置時小。 結(jié)果使 gmc 隨 ULm 的變化如圖 6.4.21 實線所示。圖 6.4.21 gmc 隨 ULm 變化的特性可見，相應(yīng)于某一 ULm 值， gmc 和相應(yīng)的混頻增益達到最大值 。 該 ULm 值就是最佳本振電平。實踐證明，在中波廣播收音機中， 為了使變頻跨導(dǎo)最大，這個最佳的 ULm 約為 20 200 mV。反之，

23、當(dāng) ULm 一定時，改變 V BB0(或 IEQ) 時，gmc 也會相應(yīng)變化。實驗指出， IEQ 在 0.2 1 mA時， gmc 近似不變，并接近最大值。2 .具體電路和工作狀態(tài)的選擇 （這部分內(nèi)容只做了解）混頻器有二個輸入，輸入信號和本振電壓。共射極混頻電路 ：本振信號由基極串聯(lián)方式注入本振信號由射極注入下圖所示是常用三極管混頻器的幾種基本形式。電路的共同特點是利用三極管轉(zhuǎn)移特性的非線性實現(xiàn)頻率變換的。圖 6.4.21 常用的三極管混頻電路（a）(b)（c）(d)若輸入信號uS和本振信號uLO從同極注入，則可能導(dǎo)致本振頻率受輸入信號頻率的牽引，出現(xiàn)本振頻率fLO 等于信號頻率 fs 的現(xiàn)象，甚至得不到所需的差頻或和頻電壓；若 us 和 uLO 從兩極注入，則相互影響小，不易產(chǎn)生牽引現(xiàn)象 。但本振電壓 uLO 從基極注入，電路需要的本振功率小； 本振電壓 uLO 從射極注入，電路需要的本振功