通信电子线路邱健第九章混频电路.ppt

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1、第九章混频器原理与电路混频器原理与电路 所谓混频就是将两个不同频率的信号所谓混频就是将两个不同频率的信号(其中一个其中一个是本机振荡信号，另一个是外加已调波信号是本机振荡信号，另一个是外加已调波信号)加加到非线性器件进行频率变换到非线性器件进行频率变换,然后由选频回路取然后由选频回路取出其差频或和频分量，并保持原调制规律不变。出其差频或和频分量，并保持原调制规律不变。如果该非线性器件本身仅实现频率变换如果该非线性器件本身仅实现频率变换,本机振本机振荡信号由另外的器件产生荡信号由另外的器件产生,则称为则称为混频器混频器。9.1 9.1概述概述 t f fo 非线性器件 滤波器 混频器 vs v0

2、 t f f0 t vi f fi 本机 振荡器 1.混频器的作用与组成混频器的作用与组成混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上的频率上(常称为中频常称为中频)，而保持原信号的特征，而保持原信号的特征(如调幅规律如调幅规律)不变。不变。混频器的电路组成如图所示混频器的电路组成如图所示 9.1 9.1概述概述 混频混频是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为载波为中间的已调信号，必须保持：载波为中间的已调信号，必须保持：频谱结构不变，各频率分量的相位大小，相互间频谱结构不变，各频率分量的相位

3、大小，相互间隔不变。隔不变。调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。1、电路的表达式表达式LcIfff或cLLcIfffff时Lcff 时Lcff 9.1 9.1概述概述ov oo-So+SvIvSS混频前后的频谱关系混频前后的频谱关系 9.1 9.1概述概述混频器分类 根据所用器件的不同根据所用器件的不同,混频混频(变频变频)器可分为器可分为模拟乘法器混频模拟乘法器混频、二极管混频二极管混频、晶体三极管混频晶体三极管混频、场效应管混频场效应管混频和和差分对差分对混频混频等等;根据工作特点的不同根据工作特点的不同,可分为单管混频器、平衡混可分为单管混

4、频器、平衡混频器和环形混频器等频器和环形混频器等;根据所加信号的大小可分为大信号根据所加信号的大小可分为大信号混频和小信号混频。混频和小信号混频。混频也是一种线性频谱搬移技术混频也是一种线性频谱搬移技术。通常是将已调高频信号。通常是将已调高频信号的载波从高频变换为中频的载波从高频变换为中频,并保持原调制规律不变。以提高并保持原调制规律不变。以提高设备的稳定性设备的稳定性,使接收电路简化。使接收电路简化。9.1 9.1概述概述混频基本原理 混频器的框图如图所示。它由信号输入电路、非线性器件、本机振荡器和滤波器等几部分组成。9.1 9.1概述概述 9.1概述变频增益变频增益 混频(变频)器中频输出

5、电压的幅度UIm与高频输入信号的幅度Usm之比称为变频电压增益。变频电压增益:smImucUUA变频功率增益:sipcPPA选择性选择性 由于非线性元件的作用,混频器的输出电流中包含许多频率分量,通常称为组合频率分量。混频器输出端应外接选择性良好的选频网络，回路应具有较理想的谐振曲线。噪声系数噪声系数 用于混频的非线性器件产生的噪声对整个接收机的噪声系数影响较大。混频器的噪声系数与所用器件及器件的工作点电流和电压有关。9.1概述CiBEu晶体三极管混频电路是利用和的非线性特性来进行频率变换的。晶体管混频器的特点是具有较高增益。根据晶体管混频的信号强弱,通常分为小信号混频和大信号混频。小信号混频

6、是指输入已调信号的幅度小而本振信号幅度大。大信号混频则是加到混频器的已调信号和本振信号幅度都较大。9.2晶体管混频器(1)工作原理 suLu晶体管混频电路的原理图如右图所示。输入信号与本机振荡信号晶体管的基极和发射极之间,利用其非线性特性来实现变频,再经三极管对变频所得到的中频信号进行放大,从集电极中频选频回路上取出中频电压信号。都加到 混频器工作原理分析三极管混频器可以在忽略集电极电压对ci的影响的情况下采用幂级数法,还常用时变跨导法来分析混频电路。混频器工作原理设输入信号为本机振荡信号为则作用于三极管发射结的信号为 首先，流过非线性器件的电流ic可近似为icf(uBE)；其次，已调波信号u

7、S(t)是小信号，发射结偏置电压可为：UBEQ(t)=VBB+uL(t)。电流ic表达式的泰勒级数展开为：coscosBEBBsLBBSmsLmLutVu tutVUtUt ssmscosutUt LLmLcosutUt 混频器工作原理21()()()()()()2CBBLBBLsBBLsi tf Vu tf Vu t u tf Vu t u t 小信号可忽略小信号可忽略uS(t)是小信号，它的高次项可忽略。混频器工作原理012012()cos()cos(2)()()cos()cos(2)BBLcc mLc mLBBLLLf Vu tIItItf Vu tg tggtgt再加上，再加上，f(u

8、BE)和和f(uBE)的级数分别为：的级数分别为：其中，其中，g(t)为晶体管跨导函数。为晶体管跨导函数。IC0为集电极电流为集电极电流ic(t)的直流分量；的直流分量；IC1m为集电极电流为集电极电流ic(t)的基波分量；的基波分量；IC2m为集电极电流为集电极电流ic(t)的二次谐波分量；的二次谐波分量；g0为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的平均分量；的平均分量；g1为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的基波分量；的基波分量；g2为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的二次谐波分量。的二次谐波分量。混频器工作原理 0120120120

9、1111cos()cos(2)cos()cos(2)cos()cos()cos(2)cos()11cos()cos()2211cos(2)cos(2)22ccc mLc mLLLsmscc mLc mLsmsLsLsLsLsi tIItItggtgtUtIItItUgtgttgttgttgtt代入已调波信号表达式 可以得到集电极电流 ssmcossutUt中频分量中频分量cL 称为低中频（差中频）低中频（差中频）cL称为高中频（和中频）高中频（和中频）cLcL其中的和两个频率分量就是我们所需的中频信号。ssmac(1cos)cosuUMttcL若上述输入信号为调幅信号且带通中心角频率为，则中频

10、电流为 ，ttmUUbi)cos()cos1(cLaLmsm2IttmUUbIaLmsm2cos)cos1(上述两个中频分量主要是由两个电压的相乘项2uSuL所产生的。由此可见,凡能实现两个电压相乘或具有相乘因素的非线性器件都可用作混频器件。混频器工作原理通常定义中频电流的幅度与高频输入信号电压的幅度之比为变频器的变频跨导 1msmsmm1smImc212/gUUgUIg在工程实际中，常采用以下近似式计算 2Tbbmsmc)(1)6.035.0(/frgfggIEQ晶体管发射极的静态工作电流；fT晶体管的特征频率；fS输入高频信号的工作频率；rbb晶体管基区体电阻。变频跨导 变频跨导晶体管混频

11、等效电路，如下图所示。ImucsmocLcgUAUgg2ILpcsocLiccgPgAPggg混频电压增益：混频功率增益：2Ipcmaxsic4ocLcocgggPAPg g 混频器电路组态 混频器电路vLve晶体管混频电路晶体管混频电路 混频器电路 混频器电路(1)组合频率干扰组合频率Kf的通式为 cLKqfpffp和q为任意正整数,分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。若满足 则有 Ic1fpqpfIcLKfqfpff上式说明当中频频率一定时，只要信号频率接近上式的数值，就有可能产生干扰哨声。混频器干扰(2)副波道干扰副波道干扰 若混频器之前的电路选择性不好若混频器之前的电路选择性不好,除

12、接收所需的信号外除接收所需的信号外,其他干扰信号也会进入混频器。它们与本振信号的谐波其他干扰信号也会进入混频器。它们与本振信号的谐波同样可以形成接近中频频率的组合频率干扰同样可以形成接近中频频率的组合频率干扰,产生干扰产生干扰哨声。其中包括：哨声。其中包括：中频干扰中频干扰 和和 镜像干扰镜像干扰 (3)交叉调制干扰和互调干扰交叉调制干扰和互调干扰 干扰信号对有用信号的调制产生交叉调制干扰；干扰信干扰信号对有用信号的调制产生交叉调制干扰；干扰信号与有用信号相互调制便产生互调干扰。号与有用信号相互调制便产生互调干扰。交叉调制干扰交叉调制干扰:如接收机对有用信号频率调谐时如接收机对有用信号频率调谐

13、时,仍可仍可清楚地听到干扰电台的声音清楚地听到干扰电台的声音,并随着有用信号的消失而并随着有用信号的消失而消失消失,这种干扰称为交叉调制干扰。这种干扰称为交叉调制干扰。互调干扰互调干扰:互调干扰是两个干扰信号同时加到混频级的互调干扰是两个干扰信号同时加到混频级的输入端输入端,混频后产生的某频率分量接近于有用信号的频混频后产生的某频率分量接近于有用信号的频率率,就会形成互调干扰就会形成互调干扰,简称互调。简称互调。混频器干扰 利用晶体管混频的最大优点是有较大的变频增益利用晶体管混频的最大优点是有较大的变频增益,但存在着较严但存在着较严重的组合频率干扰重的组合频率干扰,而且混频动态范围小，存在本振

14、辐射等。利用而且混频动态范围小，存在本振辐射等。利用二极管混频二极管混频,则可克服上述缺点则可克服上述缺点,但二极管混频器没有变频增益。但二极管混频器没有变频增益。(1)二极管平衡混频器二极管平衡混频器 二极管混频器 工作原理输入信号tUucsmscos本振电压tUuLLmLcos从等效电路图中可以看到 tUtUcsmLLmcoscossL1uuusL2uuutUtUcsmLLmcoscos 二极管混频器 1i2i利用二极管的非线性特性,将、用幂级数表示 3132121101ubububbi 3232222102ubububbi若忽略混频后的中频电压对混频器的反作用,则可得到混频输出电流为 )

15、()()(323132221221121uubuubuubiiitUbcsm1cos2)cos()cos(2cLcLsmLm2ttUUb)2cos()2cos(cos3cL21cL21c2smLm3tttUUb )3coscos(2c41c432sm3ttUb 二极管混频器 所需中频电流为 tUUbi)cos(2cLsmLm2IcLcL实践证明,当注入到二极管平衡混频器的本振电压幅度调整到0.61左右时,使平衡混频器工作于开关工作状态,再从其输出脉冲电流中选择出或其混频效果更好 分量,或 tUUbi)cos(2cLsmLm2I 二极管混频器 二、二极管双平衡混频器（也称为环形混频器）1、电路结

16、构由四只二极管和两个带中心抽头，匝数比均为1的宽带变压器组成。2、电路分析I 要求vLm足够大，而且其值远大于vsm。所以二极管在vLm的控制下，工作在开关状态。II 在vL为正半周时，D2、D3导通，由导通后的交流等效电路得：0)(0)(233322LDLsLDLsRiiRivvRiiRivv 二极管混频器 二、二极管双平衡混频器0)(0)(233322LDLsLDLsRiiRivvRiiRivvD2、D3导通后的交流等效电路如右图消去vL后，得到 加入开关函数)(222213232tKRRviiRRviiLDLsDLs 二极管混频器 二、二极管双平衡混频器0)(0)(144411LDLsLDLsRiiRivvRiiRivv)(222214141tKRRviiRRviiLDLsDLs消去vL后，得到 加入开关函数用同样的方法可以得到D1和D4由前后两图可以得到)()()()(32412341iiiiiiiiio 二极管混频器 二、二极管双平衡混频器ttRRtViLLDLcsmo3cos34cos42cos2整理后，得到RL总电流为选取中频信号可以得到tRRVicLDLsmI)cos(