晶體三極管混頻器的設(shè)計

1、*師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2014屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計報告*課程設(shè)計報告題 目： 晶體三極管混頻器的設(shè)計 學(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號： * 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程專業(yè) 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： * 電氣信息工程學(xué)院制2013年5月晶體三極管混頻器的設(shè)計學(xué)生：*指導(dǎo)老師：*電氣信息工程學(xué)院：10級通信工程專業(yè)1 三極管混頻器的設(shè)計內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計內(nèi)容在本次課程設(shè)計中采用了Multisim仿真軟件對三極管混頻器進行設(shè)計及繪制，并模擬仿真。從理論上對電路進行了分析。選擇合適的預(yù)案器件，設(shè)計出滿足要求的三極管混頻器。1.2設(shè)計要求設(shè)計一個三極管混頻器，要求中心頻率

2、為10MHZ，本振頻率為16.455MHZ。1.3 混頻器工作原理及系統(tǒng)框圖一個實際應(yīng)用中調(diào)幅收音機的混頻電路的主要功能是使信號自某一頻率變換成另外一個頻率，實際上是一種頻譜線性搬移電路。它能將高頻載波信號或已調(diào)波信號進行頻率變換，將其變換為頻率固定的中頻信號。而變換后的信號，它的頻譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和調(diào)制類型保持不變，改變的僅僅是信號的載波頻率。混頻電路的類型較多，常用的模擬相乘混頻器、二極管平衡混頻器、環(huán)形混頻器、三極管混頻器等。其中三極管混頻器最為常用，其工作原理圖如下：中頻諧振回路混頻器 高頻信號 中頻輸出 f外 f中 本機振蕩器 f本圖1 系統(tǒng)原理圖 從圖中可以看出混頻電路主要有三大部分組成

3、：本地振蕩器、晶體管變頻器電路和中頻濾波網(wǎng)絡(luò)，各部分獨立工作。本地振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(設(shè)其頻率為),輸入的高頻調(diào)幅波信號（設(shè)其頻率為），由于晶體管的非線性特性，兩個信號混合后會產(chǎn)生、 頻率的信號，然后通過中頻濾波網(wǎng)絡(luò)，取出 頻率的信號，調(diào)節(jié)好 、 的大小使其差為中頻頻率，即所需要的中頻信號6.455MHZ。以下是混頻前后的波形圖和混頻前后的頻譜圖：圖2混頻前后的波形圖如上波形圖可以看出，混頻器上加了兩個信號：輸入調(diào)幅信號VS(t)和本振信號VL(t)，經(jīng)過變頻后，輸出中頻信號VI(t)。輸出的中頻調(diào)幅波輸入的高頻調(diào)幅波調(diào)幅規(guī)律完全相同，唯一差別就是頻率不同。圖3組成模型混頻電路是一種典型

4、的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現(xiàn)這種搬移，如圖3所示。圖4混頻前后的頻譜圖若設(shè)輸入調(diào)幅信號VS(t),相應(yīng)的頻譜如圖4（b）所示，當(dāng)>時，相乘器的輸出電壓頻譜如圖4（c）所示，即將VS(t)的頻譜不失真地搬移到本振角頻率wc的兩邊，一邊搬移到()上，構(gòu)成角頻率為()的調(diào)幅信號；另一邊搬移到()上，構(gòu)成角頻率為()的調(diào)幅信號。若令 ，則前者為無用的寄生分量，而后者則為有用的中頻分量。因此調(diào)諧在上的帶通濾波器的頻帶寬度應(yīng)大于或等于輸入調(diào)幅信號的頻譜寬度。1.4三極管混頻器的設(shè)計方案 本課程設(shè)計我的電路是用10MHZ的交流信號電壓源、本振電路（產(chǎn)生16.455MHZ）、三極管混頻

5、器電路以及選頻電路組成。信號源所產(chǎn)生的10MHZ的正弦波與本振電路所產(chǎn)生的16.455MHZ正弦波通過三極管進行混頻后產(chǎn)生和頻、差頻信號及其它頻率信號，然后通過濾波網(wǎng)絡(luò)濾掉不需要的頻率分量，取出差頻（6.455MHZ）的信號，即為所需的6.455MHZ信號。2 電路設(shè)計及其原理分析2.1本地振蕩電路 本地振蕩電路是本設(shè)計電路的重要部分，同時也是超外差式接收機的主要部分。其作用是將直流信號變?yōu)楦哳l正弦信號，將產(chǎn)生的正弦高頻信號與輸入的高頻調(diào)幅信號通過混頻電路得到、的信號，其中為本地振蕩器產(chǎn)生的正弦信號頻率，為輸入的高頻調(diào)幅波信號頻率，通過中頻濾波器得到中頻信號。即本地振蕩器主要是產(chǎn)生一個正弦高頻

6、信號，若振蕩器不能夠穩(wěn)定的工作，就會使產(chǎn)生的中頻信號不穩(wěn)定，為此我們必須保證振蕩器的穩(wěn)定性，故這里采用高穩(wěn)定度的西勒振蕩器。 2.1.1振蕩器起振條件 正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋足夠大時，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個呈現(xiàn)負(fù)阻性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。本設(shè)計中用的是反饋式振蕩器，圖5即為LC三點式反饋式振蕩器的原理圖。通過我們對高頻電路的學(xué)習(xí)知道，三點式振蕩電路的組成法則是：交流通路中

7、三極管的三個電極與諧振回路的三個引出端點相連接，其中與發(fā)射極相接的為兩個同性質(zhì)電抗，而另一個（接在集電極與基極間）為異性質(zhì)電抗。圖5三點式振蕩器的原理電路2.1.2電路及電路參數(shù)的選擇 如圖6所示，此次設(shè)計的本振電路采用的是西勒振蕩器，它是改進型電容三點式振蕩器，其主要特點是在回路電感L兩端并聯(lián)了可變電容C4，而C3為固定值電容器，且滿足C1、C2遠大于C3，C1、C2遠大于C4，回路總等效電容為： .1.2.1振蕩頻率為：.1.2.2圖6本地振蕩電路圖7交流等效電路 根據(jù)西勒振蕩電路的特點，C3的大小對電路性能有很大影響。因為頻率是靠調(diào)節(jié)C4來改變，所以C3不能過大，否則振蕩頻率主要由C3和

8、L決定，因為將限制頻率調(diào)節(jié)的范圍。此外，C3過大也不利于消除晶體管極間電容的影響。 在西勒振蕩電路中，L和C1-C4的值可用式（1.2.1）計算出，不過若L與C的比值太小的話，在低頻下難以振蕩。有大致的標(biāo)準(zhǔn)，即振蕩頻率為1MHZ時，L在10uH以上；10MHZ時L>1uH。另需注意C1、C2的大小，若C2/C1太小，波形就會受限制，同時也會增加輸出波形中的高次諧波。反之，若太大，不能夠完全補償振蕩電路的損耗而停振。 又由于本電路要產(chǎn)生16.544MHZ的信號，所以=16.455MHZ 即MHZ 綜上所述，可以取值C1=60PF,C2=120PF,C3=30PF,C4=18PF,L2=2.

9、5uH 其它主要器件的參數(shù)如下，C5=300PF為基極耦合電容，R3=100用來限制射極電流，R1=12K,R2=2K為基極偏置電阻，用來給三極管確定一個合適的靜態(tài)工作點，L1為高頻扼流圈。2.2混頻電路三極管混頻器的特點是電路簡單，有較高的變頻增益，要求本振電壓幅度較小，當(dāng)信號電壓較大時會產(chǎn)生非線性失真。2.2.1混頻原理電路 圖8是三極管混頻器的原理電路。圖中，L1C1為輸入信號回路，調(diào)諧在上。L2C2為輸出中頻回路，調(diào)諧在上。本振電壓 接在基極回路中，為基極靜態(tài)偏置電壓，由圖可見，加在發(fā)射結(jié)上的電壓 。若將（）作為三極管的等效基極偏置電壓，用 表示,稱之為時變基極偏壓，則當(dāng)輸入信號電壓很

10、小，滿足線性時變條件時，三極管集電極電流 圖8三極管混頻器的原理電路在時變偏壓作用下，的傅里葉級數(shù)展開式為 中的基波分量與輸入信號電壓相乘令，得到的中頻電流分量為 其中 稱為混頻跨導(dǎo)，定義為輸出中頻電流幅值對輸入信號電壓幅值之比，其值等于中基波分量的一半。若設(shè)中頻回路的諧振電阻為Re，則所需的中頻輸出電壓 ， 相應(yīng)的混頻增益為綜上所述，在滿足線性時變條件下，三極管混頻電路的混頻增益與成正比。而又與和靜態(tài)偏置有關(guān)。2.2.2設(shè)計電路及電路參數(shù)選擇 如圖9為晶體混頻器的設(shè)計電路。電路的輸入信號（用10MHZ的信號源代替）與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入。該電路主要由Q2和6.455MHZ選頻回

11、路（圖10）組成。圖9晶體三極管混頻電路圖10選頻電路 在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會產(chǎn)生不需要的振蕩信號，這種振蕩稱為計生振蕩。為了電源去耦，消除由公共電源引起的多級寄生振蕩，在設(shè)計電路時加入了C8、C12、L5。而在信號源連接處加一電容是為了濾波用，如C6、C7、C10。R4、R5、R6用來確定靜態(tài)工作點，通過改變電阻R4的值來改變混頻器晶體工作點，使其工作在適合的非線性區(qū)域，同時也可以用來調(diào)節(jié)混頻增益。而選頻電路的取值：倒推可得： 從而通過對結(jié)合仿真效果，可取L=3uH，C=200pF。2.3總電路圖 圖11總電路圖3 三極管混頻器的仿真和調(diào)試3.1仿真軟件介紹Multisim

12、軟件是迄今為止，在電路級仿真上表現(xiàn)最為出色的軟件，有了Multisim軟件，就相當(dāng)于擁有了一個設(shè)備齊全的實驗室，可以非常方便的從事電路設(shè)計、仿真、分析工作。Multisim軟件的前身是加拿大IIT(Electronics Workbench)，后來，EWB將原先版本中的仿真設(shè)計模板更名為Multisim，之后又相繼推出了Multisim2001、Multisim7等各個版本。2005年后，加拿大IIT公司隸屬于美國國家儀器公司（National Instrument，簡稱NI公司），美國NI公司于2005年12月首次推出Multisim9版本。Multisim9最大的改變就是將Multisim

13、的計算機仿真與虛擬儀器進行了完美的結(jié)合。2007年初該公司又推出了NI Multisim10版本。相對于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機交互界面，并且提供更加豐富的元件庫、儀表庫和各種分析方法。完全滿足電路中各種仿真需要。2010年1月NI公司下屬的Electronics Workbench Group又推出了NI Multisim11。該版本是NI公司電子線路仿真軟件的最新版本。3.2各部分電路的仿真及調(diào)試 本地振蕩電路的仿真結(jié)果如下圖12本地振蕩電路的仿真結(jié)果 三極管混頻電路的仿真及調(diào)試： 當(dāng)R4為時的輸出頻率和輸出波形如下所示：圖13 R4為時的仿真結(jié)果 從仿真結(jié)果看稍有失真，猜

14、測可能是此時的R4=時靜態(tài)工作點調(diào)制不是很理想，所以通過對滑動變阻器R4的調(diào)試，應(yīng)該可以取得最大不失真信號。即當(dāng)R4=時，波形如下圖14所示，明顯的失真更小，而當(dāng)R4=時，波形如圖15所示，波形又開始失真，所以當(dāng)R4=時，工作狀態(tài)最好。圖14 R4=時的仿真結(jié)果圖15 R4=時的仿真結(jié)果4 總結(jié)本次的課程設(shè)計是使用multisim10軟件設(shè)計一個晶體三極管混頻器，系統(tǒng)的三個主要部分是本地振蕩電路、晶體管混頻器和選頻電路。在做課程設(shè)計之前復(fù)習(xí)之前學(xué)的高頻電子線路，把理論知識掌握然后根據(jù)理論去設(shè)計。通過查找資料，結(jié)合書中所學(xué)的知識并參考了多個相關(guān)的設(shè)計電路圖，在multisim軟件中繪制并仿真。在

15、設(shè)計各個環(huán)節(jié)中都遇到了很多問題：首先，參數(shù)的選定很難，課堂上基本上是分析電路的原理功能和計算電路的性能指標(biāo)，很少要計算選定器件的參數(shù)，從資料或網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)很多都有問題，必須經(jīng)過修正和調(diào)試才能確定出器件的參數(shù)，只有正確的參數(shù)，才能夠設(shè)計出我們所想要的輸出結(jié)果；其次有些時候理論上符合要求的電路，仿真后卻得不到相應(yīng)的結(jié)果。也正是這些問題的出現(xiàn)，讓我學(xué)到了更多的知識，以及設(shè)計的技巧。出現(xiàn)問題的時候，首先思考問題的環(huán)節(jié)，然后通過上網(wǎng)查詢及翻閱相關(guān)書籍，請教其他同學(xué)在這個過程中對以前所學(xué)的知識有了更深刻的了解，也明白了所學(xué)知識的應(yīng)用范圍，收獲很多。通過這次課程設(shè)計，讓我感受到理論應(yīng)用于實際中的難度，認(rèn)識

16、到理論聯(lián)系實際的重要性。我做的三極管混頻器所應(yīng)用到的理論知識都是書上的經(jīng)典知識點，因此對課本知識也有了進一步的理解，也意識到自己對課本知識理解不夠到位，知識面不夠廣，分析電路也有點吃力，我想這對我以后的學(xué)習(xí)有很大的促進作用。在之前的課程中雖然學(xué)習(xí)了很多的仿真軟件如：protel、protues等，但這次課程設(shè)計所用的multisim10軟件雖然沒有接觸過，但通過查閱相關(guān)的書籍、網(wǎng)上搜索，學(xué)會了這個軟件的使用，這個虛擬電子實驗室可以仿真各種電路。應(yīng)用過程中我發(fā)現(xiàn)了這個軟件功能的強大，操作的簡單，可以免去直接用硬件做實驗帶來各種的麻煩。參考文獻1謝嘉奎，宣月清，馮軍.電子線路非線性部分（第四版）.高等教育出版社 2010年2 蔣卓勤，黃天錄，鄧玉元.Mult