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第九章变频电路 第一节概述第二节晶体三极管混频第三节场效应管混频器第四节二极管混频器第五节模拟乘法器混频器第六节混频器的干扰与失真 主要内容 第一节概述 一 变频电路的功能1 变频电路的功能是将已调波的载频变换成固定的中频频率 而保持其调制规律不变 2 变频电路功能的时域表示法和频域表示法 变频电路的主要应用之一是用于超外差接收机中 将高频载频变换成固定中频载频信号 然后通过高性能的中频放大器进行放大 使整个接收机灵敏度和选择性大大提高 下图是以输入普通调幅波 为例表示的输入输出波形以及输入输出的频谱 时域表示法 频域表示法 二 变频器的组成1 变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成 混频器是由输入回路 非线性器件和带通滤波器组成 非线性器件用于频率变换 常用的非线性器件有晶体三极管 二极管 场效应管 差分对管和模拟乘法器等 输入信号与本振信号通过非线性器件后会产生很多新的频率分量 其通过带通滤波器可选出其中之一 称其为中频频率 若带通滤波器取称高中频 若带通滤波器取称低中频 混频器 二 变频器的组成1 变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成 混频器是由输入回路 非线性器件和带通滤波器组成 三 变频器的技术指标1 变频增益 变频电压增益 变频功率增益 2 选择性 通常用矩形系数表示 3 噪声系数 4 失直与干扰 第二节晶体三极管混频器 一 晶体三极管混频器的工作原理 1 下图是晶体三极管混频器的原理电路 其中为直流偏置电压 为输入信号 为本振信号 集电极回路调谐于中频 2 工作原理 一个大信号和一个小信号同时作用于非线性元件 输入信号 为小信号 本振信号 为大信号即晶体三级管的发射结加有三个电压和 晶体三极管工作于非线性状态 而对于来说 由于很小 可以认为是在的作用下 晶体管的工作点在变化 在每一个工作点 对来说都是工作于线性状态 只不过不同的工作点其线性参量不同 这种随时间变化的参量称为时变参量 3 晶体三极管混频器的时变参量分析 混频器的时变参量表示式 晶体三极管的 正向传输特性为 因为的值很小 在的变化范围内正向传输特性是线性的 所以 可以将函数在时变偏压上展开成泰勒级数 则 对于小信号 其高阶导数很小 可近似为 式中 为时集电极电流 为时晶体三极管的跨导 由于本振电压为大信号 工作于非线性状态 和g均随变化呈非线性 则 式中 分别为时集电极电流中的直流 基波 二次谐波分量的幅值及跨导的平均分量 基波和二次谐波分量的幅值 输入后产生的混频电流 在输入信号作用下 集电极电流为 通过带通滤波器取出中频 若中频频率取差频 则混频后通过带通滤波器输出中频电流为 其振幅为 表明中频电流振幅与高频输入信号振幅成正比 若输入信号为调幅波 则输出中频电流为 混频器的变频跨导 变频跨导是输出中频电流振幅与输入高频信号振幅之比 即 在数值上变频跨导是时变跨导的基波分量的一半 可以通过的基波分量来求变频跨导 定义 二 晶体三极管混频器的等效电路 由于本振电压为大信号 对于输入信号为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路 可用上图所示电路等效 输入回路调谐于 输出回路调谐于 等效电路各参量可根据定义和混合等效电路求出 变频电压增益 变频功率增益 当相等时 输出回路匹配 变频功率增益最大 三 具体电路和工作状态的选择 1 晶体三极管混频器的四种组态根据输入信号可构成共射和共基两组态 而对本振电压的注入可分从基极注入和发射极注入两种组态 因此有四种组态 图 a 对为共射组态 输入电阻高 变频增益大 对是基极注入 输入电阻大 易于起振 但两者相互影响大 可能产生频率牵引 图 b 对信号为共射组态 输入电阻高 变频增益大 对是射极注入 输入电阻小 本振负载较重 起振困难 但两者相互影响小 不会产生频率牵引现象 图 c d 为共基组态 输入阻抗小 变频电压增益小 高频特性好 上限频率高 频率较低时不用 上图说明 2 工作状态的选择 变频功率增益和噪声系数的关系的实验结果如图所示 在100mV左右 在0 3 0 7mA为宜 3 具体电路 收音机变频电路 电视机变频电路 第三节场效应管混频器 结型场效应管混频电路 1 结型场效应管混频电路如图所示 一 结型场效应管混频器 2 结型场效应管在饱和区漏极电流与栅源电压的关系 式中 时的为夹断电压 3 混频原理 设输入信号 本振信号 则 式中为场效应管静态工作点的值 可得 可知 中含有直流等频率分量 其中为高中频和低中频分量 若选用低中频的带通滤波器 则 式中 为变频跨导 其值为 若中频带通滤波器中心频率为 且谐振电阻为 则混频器输出电压为 对于 则 二 双栅绝缘栅场效应管混频器 1 原理电路如图所示 双栅场效应管混频电路 2 双栅场效应管的特点及特性的表示式 双栅绝缘栅场效应管具有栅漏极间电容很小 正向传输导纳较大 且受到双重控制 很适合于作为超高频段混频器 双栅绝缘栅场效应等 在放大区 式中 其中是由直流偏置及管子本身所决定的常数 则 3 混频原理 在输入信号 本振信号时 漏极电流中含有直流等频率分量 经带通滤波器可取出中频电流 输出中频电压为 第四节二极管混频电路 一 二极管平衡混频器 1 原理电路如图所示 2 电路特点 本振电压足够大 晶体二极管工作在受控制的开关状态 输入回路的次级调谐于 输出回路的初级调谐于 相当于两个带通滤波器 3 混频原理分析 开关工作状态下 流过二极管的电流 在无带通滤波的条件下 流过输出回路的电流为 设 则 当输出回路调谐于时 则输出中频电流为 是由正向混频产生的中频电流和中频输出电压反作用产生的中频电流之差 当输入回路调谐于时 流过输入回路初级的电流是 是由在输入回路中产生输入电流和经反向混频产生输入电流之差 4 混频器的等效电路 等效电路 由的关系式得出 其中 混频器工作于全匹配的条件由于混频器等效电路是对称的型双口网络 其特性电导的定义是在输出端接入时 从输入端看输入电导为 同样 当在输入端接入时 从输出端向里看的输出电导为 因而 全匹配条件 此时能获得最大的功率传输 全匹配条件下的变频功率增益 三 二极管环形混频器1 原理电路如图所示 环形混频器 本振电压足够大 使处于开关工作状态 本振电压正半周 导通 截止 其开关函数为 本振电压负半周 截止 导通 其开关函数为 输入回路的次级调谐于 输出回路的初级调谐于 相当于两个带通滤波器 2 原理分析 在本振信号正半周 组成平衡混频器 在本振信号负半周 组成平衡混频器 无带通滤波条件下 输出电流 有带通滤波器时 选出中频电流 无带通滤波条件下 输入电流 有带通滤波器时 选出输入电流 3 结论环形混频器与平衡混频器相比 增加了两个二极管 其输出中频电流和输入电流都增大二倍 同时在输出电流中进一步抵消了等分量 第五节模拟乘法器混频器 MC1596构成混频器 外来输入信号加到1端 输入信号约为1 5mV 本振电压约为100mV 2 1 3 5 4 本振信号加到8端 7端交流接地 6 9端分别接100电感到电源 对于工作频率等效为电阻 混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz 第六节混频器的干扰与失真 一 信号与本振的组合频率干扰 干扰哨声 1 信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率 若非线性特性为 而 则会产生直流 的频率分量是混频时 必须要有的项 因低中频 高中频 故非线性特性中必须有的乘积项 而带通滤波器应根据需要滤除其中的个中频 例如选低中频应滤除 选高中频应滤除 非线性特性的三次方及其以上项会产生很多组合频率 式中 p q为正整数或零 2 信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件 1 当满足时 这个组合频率将会与正常的一道通过中频带通滤波经中频放大器放大后送给检波器 2 由于差频不大为音频 则送给检波器会产生差拍检波 产生音频实现干扰常称干扰哨声 3 举例 超外差接收机的中频频率 当某电台发射载频时正常的变频过程是 但是由于非线性特性有三次方项 则 二者都可以通过中频带通滤波进行中频放大 然后经检波器会产生1kHz的差拍检波在终端扬声器产生干扰哨声 3 产生这样干扰的原因非线性特性有三次方及以上项 4 减小这种干扰的方法选取理想二次方特性的场效应管或模拟乘法器作混频器 采用二极管开关平衡混频方式 对晶体三极管混频器的本振信号选为大信号 也能减小干扰 2 3 1 1 2 3 二 外来干扰与本振组合频率干扰 副波道干扰 1 在混频器的输入回路选择性不好的条件下 除正常输入信号外 还有些其它频率的强干扰信号通过输入回路进入混频器 统称为外来干扰信号 外来干扰频率通过非线性器件产生组合频率 2 在接收某一给定信号频率时 接收机会产生一个本振频率 若取低中频 则 由于输入回路选择性不好会有强干扰信号进入混频器 其频率与本振的组合频率 只有和有可能通过的中频带通滤波器 若满足或会产生干扰 称为副波道干扰 3 中频干扰 当时 称为中频干扰 产生原因输入回路选择性不好 的强干扰信号进入混频器通过非线性特性的一次方项 相当于放大由中频选频回路输出 产生中频干扰 减小中频干扰的方法提高输入回路的选择性 还可在混频器输入端增加一个中频LC串联陷波电路减小中频干扰 4 镜象频率干扰当时 为正常接收 而称为镜象频率干扰 产生原因输入回路选择性不好 的镜象频率干扰 减小镜象频率干扰的方法提高输入回路的选择性 选用高中频可减小镜象频率干扰 5 副波道干扰 当且满足 称为副波道干扰 产生原因输入回路选择性不好 在正常接收信号频率时有一对应的 有一强干扰频率进入混频器与本振混频 由于三次方及以上项产生的或 则会通过中频带通滤波器输出 产生副波道干扰 减小副波道干扰的方法提高输入回路的选择性 减小非线性特性的三次方及以上项产生的组合频率 采用二极管平衡混频 模拟乘法器混频或具有理想平方律特性的场效应管混频器 三 交叉调制干扰 1 在输入回路的选择性不好的条件下 在接收正常调幅信号的同时也有另一干扰调幅信号进入混频器 在非线性特性有四次方及以上项时 就会产生交叉调制 其特征是 当接收的正常信号存在时有干扰 而接收的正常信号消失时 干扰也消失 2 交叉调制产生的原理 设三极管混频器的非线性特性为 作用在输入端的电压有 信号电压干扰电压本振电压 代入非线性特性表示式中 其中中的四阶产物中的项中的项就是交调产物 说明传送的除正常信息外 还有干扰信息及其谐波 交叉调制干扰实质上是通过非线性作用将干扰信号的包络解调出来 而后调制到中频载频上去 没有正常信号干扰也就不存在 3 交叉调制干扰产生的原因输入回路选择性不好 有调幅的强干扰信号输入 在非线性特性的四次方及以上项 4 减小交叉调制干扰的方法提高输入回路的选择性 减小非线性特性的四次方及以上项产生的组合频率 采用二极管平衡混频 模拟乘法器混频或场效应管混频 四 互调干扰 1 在输入回路的选择性不好的条件下 在接收正常输入信号的同时 有两个或多个强干扰信号进入混频器 在非线性特性有三次方及以上项时 就会产生互调干扰 2 互调干扰产生的原理 设非线性特性有三次方项 其输入端作用电压有信号电压干扰电压本振电压 输入合成电压 对于项中含有 则只要满足就会产生互调干扰 例如 其中通过带通滤波器产生互调干扰 产生互调干扰的频率条件 3 互调干扰产生的原因输入回路选择性不好 有两个或多个强干扰信号进入混频器 非线性特性有三次方及以上项 4 减小互调干扰的方法提高输入回路的选择性 减小非线性特性三次方及以上项产生的组合频率 采用二极管平衡混频 模拟乘法器混频或场效应管混频 五 包络失真与强信号阻塞 1 包络失真是由于混频器的非线性 使