高频电子线路第7章变频电路.ppt

高频电子线路 第7章变频电路 无线电发送与接收设备组成 无线通信系统的基本组成 第九章变频电路 主要内容概述晶体三极管混频二极管混频器模拟乘法器混频器混频器的干扰与失真 7 1概述 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 时域表示法 频域表示法 一 变频电路的功能 2 混频器是频谱的线性搬移电路 是一个三端口 六端 网络 本地振荡信号 一个中频输出信号 uc fc uL fL uI fI 有两个输入信号 高频调制波 输入信号uc与输出信号ui的包络形状相同 频谱结构相同 只是中心频率不同 非线性器件用于频率变换 混频器 变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成 二 变频器的组成 混频器是由输入回路 非线性器件和带通滤波器组成 常用的非线性器件 晶体三极管二极管场效应管差分对管模拟乘法器 输入信号us与本振信号uL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fI fL fs称高中频 若带通滤波器取fI fL fs称低中频 混频器 混频器是频谱的线性搬移电路 实现所需的频谱线性搬移功能 输入已调波 两信号的乘积项 三 混频器的基本工作原理 本振信号 则经带通滤波器的输出为 uI uc uL 四 振幅调制 检波与混频器的相互关系 DSB为例 调幅 检波 混频 因为混频器常作为超外差接收系统的前级 对接收机整机的噪声系数影响大 所以希望混频级的Fn越小越好 1 变频增益 变频电压增益 变频功率增益 2 噪声系数 3 失真与干扰 变频器的失真主要有 频率失真 非线性失真 4 选择性 在混频器中 由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号 为了抑制不需要的干扰 要求中频输出回路具有良好的选择性 矩形系数趋近于1 五 变频器的技术指标 7 2晶体三极管混频器 一 晶体三极管混频器的工作原理 Vbb为直流偏置电压 us为输入信号 uL为本振信号 集电极回路调谐于中频 I 晶体三极管混频器的原理电路 一个大信号和一个小信号同时作用于非线性元件 晶体三极管在Vbb uL和us的作用下工作于非线性状态 由于us很小 可以认为晶体管的工作点在Vbb uL的作用下发生变化在每一个工作点 对us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 电路的输入条件是 us Usmcos st为小信号 uL ULmcos Lt为大信号 ULm Usm 三级管的集电极电流ic是在Vbb uL和us的共同作用下产生的 二 晶体三极管混频器的时变参量分析 因为 因为us的值很小 在us的变化范围内正向传输特性是线性的 所以 可以将函数ic f ube 在时变偏压Vbb uL t 上展开成泰勒级数 则 因为uce对ic的影响远小于ube对ic的影响 于是 正向传输特性 1 混频器的时变参量表示式 对于小信号us 其高阶导数很小 可近似为 式中 f Vbb uL t 为ube Vbb uL t 时集电极电流 为ube Vbb uL t 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 f Vbb uL t 和g均随uL t 变化呈非线性 则 式中 Ic0 Ic1m Ic2m g0 g1 g2分别为ube Vbb uL t 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 2 输入us后产生的混频电流 在输入信号us t Usmcos st作用下 集电极电流为 3 通过带通滤波器取出中频 若中频频率取差频 I L S 则混频后通过带通滤波器输出中频电流为 其振幅为I1m g1Usm 2 表明中频电流振幅与高频输入信号振幅Usm成正比 若输入信号为调幅波 Usm 1 macos t cos st 则输出中频电流为 4 混频器的变频跨导gc 变频跨导是输出中频电流振幅IIm与输入高频信号振幅Usm之比 即 在数值上变频跨导是时变跨导g t 的基波分量的一半 可以通过g t 的基波分量g1来求变频跨导 混频器等效电路 三 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us为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路 输入回路调谐于 s 输出回路调谐于 I 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gL goc时 输出回路匹配 变频功率增益最大 四 具体电路和工作状态的选择 根据输入信号us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 混频器的四种组态 1 晶体三极管混频器的四种组态 us为共射组态 uL基极注入 us为共射组态 uL射极注入 us为共基组态 uL射极注入 us为共基组态 uL基极注入 混频器的四种组态 a us为共射组态 输入阻抗高 变频增益大 uL是基极注入 输入电抗大 易于起振 但两者相互影响大 可能产生频率牵引 b 对uL相当于共基 起振不易 但两者相互影响小 c d us为共基组态输入阻抗小 变频增益小 但高频特性好 上限频率高 us为共射组态 uL基极注入 us为共射组态 uL射极注入 us为共基组态 uL射极注入 us为共基组态 uL基极注入 2 具体电路 收音机变频电路 晶体管除了完成混频任务外 还兼作本机振荡器的振荡管 为互感耦合的自激振荡器 本振电压由电容耦合到晶体管的发射极 晶体三极管混频器的参数随着管子的工作状态变化而变化 工作状态是由直流偏压和本振电压的幅值来决定 选择晶体三极管混频器的原则 变频功率增益大和噪声系数小 变频功率增益Apc和噪声系数NF与ULm和IEQ的关系的实验结果如图所示 ULm在100mV左右 IEQ在0 3 0 7mA为宜 3 工作状态的选择 E Apc和NF与ULm IEQ的关系 7 4二极管混频电路 一 概述二极管混频器的优点电路结构简单噪声低动态范围大组合频率分量少如果采用肖特基表面势垒二极管 工作频率可高达微波频段 因而应用广泛 二极管混频器的分类平衡型混频器环形混频器 二 二极管平衡混频器 电路条件 1 本振电压uL足够大 晶体二极管工作在受uL控制的开关状态 2 输入回路的次级调谐于 s 输出回路的初级调谐于 I 相当于两个带通滤波器 平衡混频器原理电路 原理分析 1 开关工作状态下 流过二极管D1 D2的电流 2 在无带通滤波的条件下 流过输出回路的电流为 设 则 3 当输出回路调谐于 I L s时 则输出中频电流为 是us和uL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 4 当输入回路调谐于 s时 流过输入回路初级的电流是 是由us在输入回路中产生输入电流和us与uL经反向混频产生输入电流之差 混频器等效电路 二极管开关混频器等效电路 由is和iI的关系式得出 其中 is iI 二极管开关混频器等效电路 由于混频器等效电路是对称的 型双口网络 其特性电导g0的定义是在输出端接入gL g0时 从输入端看输入电导为g0 同样 当在输入端接入gs g0时 从输出端向里看的输出电导为g0 因而 全匹配条件gL g0且gs g0 此时能获得最大的功率传输 全匹配条件F的变频功率增益 混频器工作于全匹配的条件 is iI 三 二极管环形混频器 本振电压uL足够大 使D1 D2 D3 D4处于开关工作状态 本振电压正半周 D1 D2导通 D3 D4截止 开关函数为k Lt 本振电压负半周 D1 D2截止 D3 D4导通 开关函数为k Lt 输入回路的次级调谐于 s输出回路的初级调谐于 I 相当于两个带通滤波器 原理分析 1 在本振信号正半周 D1和D2组成平衡混频器 2 在本振信号负半周 D3和D4组成平衡混频器 3 无带通滤波条件下 输出电流 4 有带通滤波器时 选出中频电流 5 无带通滤波条件下 输入电流 6 有带通滤波器时 选出输入电流 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 s L I 3 L I等分量 因而其应用较为广泛 7 5模拟乘法器混频器 MC1596构成混频器 外来输入信号 本振信号 MC1596构成混频器 输入信号Usm约为1 5mV 本振电压ULm约为100mV 6 9端分别接100uH电感到电源 对于工作频率fI 9MHz等效为5 6K欧姆电阻 混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz uc fc uL fL uI fI un fn uo 而这些组合频率的信号中只要和中频频率fI fL fc相同或接近 都会和有用信号一起被选出 并送到后级中放 经放大后解调输出而引起串音 啸叫和各种干扰 从而影响有用信号的正常工作 7 6混频器的干扰与失真 一般混频器存在下列干扰 一 信号与本振信号的自身组合干扰 干扰哨声 所以有 显然当变频比一定时 并能找到对应的整数p q时 就会形成自身组合干扰 例 调幅广播接收机的中频fI 465KHz 某电台发射频率fc 931KHz 当接收该电台广播时接收机的本振频率 由于变频比fc fI 931 465 2 可推算出 注意点 1 自身组合干扰与外来干扰无关 不能靠提高前级电路的选择性来抑制 2 减少这种干扰的方法 正确选择中频 尽量减少阶数较低的干扰 正确选择混频器的工作点 减少组合频率分量 采用合理的电路形式 从电路上抵消一些组合频率 如平衡电路 环形电路 乘法器 当p 1 q 2 fL fI fc 1396KHz 其中p q 0 1 2 3 如果选频器所选择的正常中频信号为 二 外干扰信号与本振的组合频率干扰 副波道干扰 则可能形成的副波道干扰为 凡是能满足上式的串台信号都可能形成干扰 在这类干扰中主要有 中频干扰镜频干扰其它副波道干扰 1 中频干扰 当p 0 q 1时 即表明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器 可以直接通过混频器进入中放电路 并被放大 解调后在输出端形成干扰 抑制中频干扰的方法 当p 1 q 1时 则有 2 镜像频率干扰 fcfn1fLfn2 3 组合频率干扰 的情况 则有 抑制这类干扰的方法 提高混频器前级的选择性 提高中频 选择合适的混频电路 合理选择混频器的工作点 交叉调制干扰的形成与本振无关 它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时 由于混频器的非线性作用 将干扰的调制信号调制到了中频载波上 即将干扰的调制信号转移到有用信号的载波上而形成的一种干扰 例 由非线性元件 其中四阶项为 若设 而 三 交叉调制干扰 交调干扰 将信号代入此项 并经中频滤波后可得 其中 可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频载波上 与有用信号一同输出而形成干扰 交调干扰的特点 2 干扰与载频无关 任何频率的强干扰都可能形成交调干扰 所以交调干扰是危害较大的一种干扰 只有当fn和fc相差很大 受前级电路的抑制很彻底时 形成的干扰较小 交调干扰与有用信号并存 通过有用信号而作用 一旦有用信号uc 0 交调干扰也消失 3 混频器中 除了非线性特性的4次方项以外 更高的偶次方项也可以产生交调干扰 但一般由于幅值较小 可以不考虑 抑制交调干扰的措施 提高前级电路的选择性 选择合适的器件 合适的工作点 使不需要的非线性项 4次方项 尽可能小 以减少组合分量 互调干扰是指两个或