晶体三极管混频电路实验

0 高频实验二高频实验二 晶体三极管混频电路实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步学习变频电路的相关理论 工作原理以及基本电路结构 2 掌握三极管混频电路的工作原理和调试方法 3 了解熟悉其他变频方法以及电路 4 学会通过仿真而了解混频电路特性以及各电路原件的作用的方法 二 实验仪器二 实验仪器 1 小信号调谐放大器实验板 2 200MHz 泰克双踪示波器 Tektronix TDS 2022B 3 8808A FLUKE 万用表 4 220V 市电接口 5 EE1461 高频信号源 6 AT6011 频谱分析仪 7 PC 一台 附有 multisim 仿真软件 三 背景介绍 三 背景介绍 在通信技术中 经常需要将信号自某一频率变换为另一频率 一般用得较 多的是把一个已调的高频信号变成另一个较低频率的同类已调信号 例如 在 超外差中波接收机中 经天线接收到的高频信号 载频位于 535 kHz 1605kHz 中波波段各电台的普通调幅信号 通过变频 变换成 465kHz 的中频信号 在调 频广播接收机中 把载频位于 88 MHz 108MHz 的各调频台信号变换为中频为 10 7MHz 的调频信号 完成这种频率变换的电路称变频器 采用变频器后 接 收机的性能将得到提高 图 2 1 混频器的电路模型 1 本振信号用于产生一个等幅的高频信号 UL 并与输入信号 US 经混频器后所产 生的差频信号经带通滤波器滤出 目前 高质量的通信接收机广泛采用二极管 环形混频器和由差分对管平衡调制器构成的混频器 而在一般接收机 例如广 播收音机 中 为了简化电路 还是采用简单的三极管混频器 四 实验原理四 实验原理 高频电路中的混频器利用电路中的非线性 可以对两个输入信号进行 频率加或减 产生和频信号或差频信号 本实验采用晶体三极管作混频电路 产 生茶品信号 将高频信号转化成低频信号 晶体管混频电路原理图如下图 2 2 所示 其中 晶体管起信号的混频作用 两个输入信号分别为和 电容Cin1 Cin2 Cout为信号输入和输出的耦合 1 2 电容 起到隔直流的作用 使前后级的直流电位不相互影响 保证各级工作的 稳定性 电容Ce对高频交流信号相当于短路 消除偏置电阻Re对高频信号的负 反馈作用 提高高频信号的增益 电阻元件Rb1 Rb2 Re决定晶体管的工作点 电路中的电感L和电容C组成的谐振电路起选频作用 在产生的组合频率中选 择所需要的中频输出信号 图 2 2 晶体管混频器实验原理电路 公式推导 在忽略三极管内部反馈和集电极电压反作用的情况下 基极电压和集电极 电流的函数关系可以写为 式中 将上式用泰勒级数展开 鉴于很小 可以忽略二次方以及以上各项 并 vin1 VCC Rb1 R b2 Re Ce Vout LC Cin1 Cout Cin2 vin2 2 将各表达式代入 可得 1 0 2 2 0 0 1 0 2 2 0 运用数学手段 化简上式 提取中频频率 那么中频电流分量 0 为 其振幅为 输出的中频电流振幅与输 1 2cos 0 1 2 入的高频信号电压振幅之比 称为变频跨导 并且有 1 2 1 实验电路 晶体三极管混频电路实验电路如图 2 2 所示 本电路使用的是共发电路 本振电压 UL FL频率为 10 7MHz 从晶体管的发射极 e 输入 信号电压 Us 频率 Fs 为 10 245MHz 从晶体三极管的基极输入 混频后的中频 Fi FL Fs 信号由晶 体三极管的集电极输出 输出端的带通滤波器必须调谐在中频 Fi 上 本实验的 中频为 Fi FL Fs 10 7MHz 10 245MHz 455kHz 且电路中 即本振电压为 大信号 输入信号电压为小信号 C4 C3 R3 R1 C2 B2 R4 C5 R5 LE D1 K 12 RW 1 R2 C1 CV J 三三三三三三三三三 TP1 IN1 TP3 OUT TP2 IN2 A8 0808 图 2 3 晶体三极管混频电路实验电路图 电容 C1 是隔直电容 滑动变阻器 RW1 和电阻 R1 R2 是晶体管基极的直流偏 置电阻 用来决定晶体管基极的直流电压 电阻 R3 是射极直流负反馈电阻 决 定了晶体管射极的直流电流 Ie 晶体管需要设置一个合适的直流工作点 才能 保证混频器电路正常工作 有一定的电压增益 通常 适当的增加晶体管射极 的直流电流 Ie 可以提高晶体管的交流放大倍数 增大混频器电路的变频增益 3 但 Ie 过大 混频电路的噪声系数噪声系数会急剧增加 对于混频器电路 一般控制 Ie 在 0 2 1mA 之间 电阻 R4 是混频器的负载电阻 电容 C3 C4 是混频器直流电 源的去耦电容 五 实验准备五 实验准备 第一部分 理论计算 要产生 455kHz 的中频信号 那么两输入信号的频率差就应为 455kHz 鉴于实验室比较容易获得 10 7MHz 的高频信号 那我们不妨就取本振信号为 10 7MHz 于是输入信号的频率就应为 10 7MHz 455kHz 10 245MHz 另外为了 满足本振信号是大信号 输入信号是小信号的约束条件 我们不妨就取输入信 号 100mV 500mV 下面来计算谐振回路的 LC 谐振回路所起的主要作用就是选频 即选出频率是 455kHz 的中频信号 即 从而我们不妨取 L 10uH C 12nF 1 2 0 455 把这些参数值代入仿真电路即可 第二部分 仿真 下图为仿真时的电路图 步骤一 输入信号的频率为 10 245MHz 本振信号的频率为 10 7MHz 两者 的频率差为 455kHz 仿真观察输出信号的波形及频率 波形记录如下 4 频率计显示的输出信号的频率 将 Timebase 调小 将图形放大了测量其幅值 该变频增益 688 431 99 956 6 89 比较密的 是输入波 形 稀疏 的是输出 波形 5 步骤二 在仿真过程中增加射极电流 Ie 的值 观察混频器变频增益的变化 和输出波形的变化 噪声 失真度 射极电流 mA 0 6060 7981 17452 238 变频增益 倍 6 898 13710 6714 72 规律总结规律总结 随着射极电流的增大 电路的变频增益也逐渐增大 但是随着 射极电流的增大 混频电路的噪声系数噪声系数会急剧增加 受噪声影响输出波形有 很多毛刺 如下图 步骤三 在仿真过程中增加本振信号的幅度 保持输入信号幅度 100mV 不 变观察混频器变频增益的变化 和输出波形的变化 噪声 失真度 本振信号幅度 mV 3005007001000 变频增益 倍 6 06 6 897 097 44 规律总结规律总结 变频增益随着本振信号电压幅度的变大而增加 步骤四 在仿真过程中保持本振信号的幅度 500mV 不变 增加输入信号的 幅度 观察混频器变频增益的变化 和输出波形的变化 噪声 失真度 输入信号幅度 mV 2050100200 变频增益 倍 10 698 116 894 22 规律总结规律总结 变频增益随着输入信号幅度的增加而减小 六 具体实验内容及步骤六 具体实验内容及步骤 1 中频频率观测 在实验箱主板上插上晶体三极管混频电路实验模块 接通实验箱上电源 开关电源指标灯点亮 由高频信号源产生 10 7MHz 的正弦信号 作为本振信号接入晶体三极管 毛刺很多 很 不光滑 噪 声的影响 6 混频电路实验模块 IN2 端 高频信号源产生的 10 245MHz 输入信号接入 IN1 端 调整两个信号的大小 本振信号幅度为 500mV 输入信号的幅度为 100mV 调整分压电阻 RW1 使晶体管的射极电流在 1mA 左右 用示波器观测 TP3 点并用 频率计测量 OUT 端频率 应有频率为 455kHz 的信号输出 调整微调电容 CV 使输出信号幅值最大 失真最小 经过不断调节 我们得到的输出幅值最大 失真最小的波形如下图 此时输出波形的频率示波器上显示的却是是 455kHz 为什么波形的负半周期会有那么多噪声 试解释之 为什么波形的负半周期会有那么多噪声 试解释之 原因 1 本振源里面存在杂散噪声所引起的 图中为本振频率 在本振信号 0 两侧存在边带噪声 如虚线三角部分 所示 是有用信号频率 与混 0 频后 产生中频 与为两个 1 2 干扰信号 它们与混频后 产生的 0 频率分量可能不在中频通带之内 因 而不会引起干扰哨声 但或与 1 2 边带噪声中的某些噪声分量混频后 可能产生正好落在中频通带内的频率分量 形成中频噪声 结果使得输出信噪 比下降 从而出现如上的波形 此时的实验条件是 输入信号幅度为 111mV 频率为 10 245MHz 本振 信号幅度为 500mV 频率为 10 7MHz 输出信号赋值为 207mV 7 解决方法 使用好一点的射频信号源 使得本振信号的频谱尽量纯净 原因 2 为了探究其原因 我逐个的检查电路各点的信号 发现一个奇怪的现 象就是输入本振信号在未连入到电路中时用示波器测量波形很完好 但连入电 路中之后就发现波形的负半周已经不稳定 波形总是晃动而且还变形 由此可以联想输出波形的负半周那么多噪声正是由于这些波纹造成的 这些晃 动的波纹通过混频器之后输出的波在信号负半周叠 加 从而才出现了上面怪异的输出波形 而这些晃 动的波纹是由于高频电路本身对电路的影响造成的 因为只有在信号源接入电路之后测得的信号源输 出的信号才是这样 所以我们只要减小电路本身对 信号源的影响就想了 可行的办法之一就是在射极 电阻的两端并联一个电容 如右图 这样可使整个 电路本身对信号源的影响大大减小 2 2 当改变高频信号源的频率时 输出中频当改变高频信号源的频率时 输出中频 TP3TP3 的波形作何变化 为什么 的波形作何变化 为什么 答 当改变高频信号源的输出频率时 不管是输入信号频率还是本振信号 频率 输出中频波的波形基本不变 只是频率改变 这是因为变频器只是改变 信号频率 并不改变其波形 且中频频率为 当你改变或是时 0 0 显然会变 所以输出信号只有频率的变化 波形并不改变 3 3 混频的综合观测混频的综合观测 有晃动的不稳有晃动的不稳 定的波纹定的波纹 8 用高频信号源产生中心频率为 10 245MHz 的调幅调幅信号 接入晶体三极管 混频电路实验模块 IN1 端 由高频信号源产生的 10 7MHz 本振信号接入 IN2 端 调整两个信号的大小和 RW1 用示波器观测 TP3 点波形 特别注意观察 TP1 和 TP3 两点波形的包络是否一致 此实验现象再次验证了混频器只将已调高频信号的载波频率从高频变为 中频 并不改变其调制规律并不改变其调制规律 4 4 观察静态工作点对混频器增益和输出波形的影响 观察静态工作点对混频器增益和输出波形的影响 逐步增加射极电流 Ie 的值 观察混频器变频增益的变化 和输出波形的变 化 易知由于射极电阻大小不变 所以只要改变射极电压的大小就可以改变 Ie 显然改变 Ve 实质上也就变成改变的大小了 即旋转 RW1 即可 Ve V 3 284 245 065 89 输出信号电压 mV 198207233254 规律总结 规律总结 与仿真结果一致 随着射极电流的增大 电路的变频增益也逐渐 增大 原因解释 原因解释 有这样的实验公式 三极管混频器的变频跨导 0 35 0 7 26 1 26 2 运用数学的手段分析该式 我们可以得到在一定的范围内是随着的增大 而增大的 而由前面的推导可知越大越大 所以随着的增大而增大 上面的为输入的 调幅波的包络 下面的为输出中 频信号的包络 9 当然由于我们用的实验箱限制 所有器件参数都固定好了 达不到大的电流 所以观察不到仿真过程中出现的 随着射极电流的增大 混频电路的噪声系 数会急剧增加 受噪声影响输出波形有很多毛刺 的现象 5 5 观察本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响 观察本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响 逐步增加本振信号的幅度 观察混频器变频增益的变化 和输出波形的变 化 下面是实验记录结果 输入信号的幅值一直保持 111mV 本振信号幅度 mV 5006007008009001000 输出信号幅度 mV 207237251265271275 混频增益 倍 1 862 132 262 392 442 48 规律总结 规律总结 与仿真结果类似 随着本振信号幅度增加 电路的变频增益在逐渐 大 原因解释 原因解释 该图很形象地告诉知道 输入本振电压的幅度越大 那么也就越大 根据关 1 系式 可知会随着本振信号幅度的增大而增大 从而也就解释了如 1 2 1 上的规律 6 6 观察输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响 观察输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响 10 逐步增加输入信号的幅度 而保持本振信号不变 观察混频器变频增益的变 化 和输出波形的变化 输入信号幅度 mV 111166220272330 输出信号幅度 mV 207224234242248 变频增益 倍 1 861 351 060 890 75 规律总结 规律总结 变频增益随着输入信号幅度的增加而减小 甚至减小到无增益反而 是衰减的情况 原因解释 有这样的公式原因解释 有这样的公式 当输入信号的幅度逐渐增大时 由于其 在分母上 而分子基本不变 所以在逐渐变小 即随着输入信号幅度的增 加 混频器的变频增益也会逐渐下降 7 7 在在 IN1IN1 端输入端输入 11 155MHz11 155MHz 的信号可以观察镜像干扰 的信号可以观察镜像干扰 由前面的推导可知 混频器的输出中 除了需要的中频电流外 还存在一 些谐波频率和组合频率 这些组合频率可以用通式表示为 0 通过这些组合以及联系实际我们知道产生组合副波道干扰的干扰信号频率为 当该式中 p 1 q 1 时 即 此时 1 0 2 0 就产生了镜像干扰 亦即 信号频率比本振频率低一个 干扰频率比高 0 一个 两者对称的分布在两侧 0 根据上面的理论 我们输入频率 11 155MHz 干扰信号 发现输出的波形与 输入 10 245MHz 的时候相差无几 用傅里叶变换可得其频谱图如下 11 七 实验回顾七 实验回顾 通过这次试验 加强了我们思考问题和解决问题的能力 我对三极管混频 电路的原理有了更深刻的理解 我觉得学理论知识的时候可能由于书本上的知 识点太多 平时的学习并不能很好地理解和运用 然而通过实验 我们了解了 很多元件的功能 并且对于其在电路中的使用有了更深的理解 平时看课本时 遇到的想不通的问题 做完实验后变得清晰明朗起来 果然知识来源于实践 回顾整个过程 觉得有些还问题还没有说清楚 现补充了如下 问题问题 1 1 为什么混频电路的电压增益会随本振信号幅度 输入信号幅度不变 的增大而增大 当增大到一定程度后又逐渐减小 答 输入信号幅度不变时 逐渐增加本振信号的幅度 刚开始由于本振信号 的幅度较小 晶体管的变频跨导较小 此时随着本振信号幅度的增加 晶体管 的变频跨导也逐渐增加 混频器的变频增益逐渐增加 当本振信号幅度达到一 定大小时 再增加本振信号的幅度 晶体管工作点的变化更加剧烈 晶体管的 变频跨导就会逐渐下降 混频器的变频增益也逐渐下降 并且混频器的噪声系 数会大大增加 问题问题 2 2 混频器常用的非线性器件有哪些 对这些器件做些比较 答 混频器常用的非线性器件有二极管 三极管 场效应管和乘法器 其中二极管混频器又可以分为二极管平衡混频器和二极管环形混频器等 目前 二极管混频器的集成电路已经在市面上广泛使用 二极管混频电路的主要特点 是 1 混频电路本身没有增益 2 混频后出现的非线性分量较少 3 混频电路 的输入信号线性范围较大 三极管混频器与场效应管混频器的混频原理差不多 但三极管混频电路和 12 场效应管混频电路相比 1 具有较大的电压增益 2 电路噪声和非线性分量较 多 3 工作频率比场效应管混频电路的要低 模拟乘法器可以实现两个输入信号的乘积 即可得信号 1 2 1 2 它可以分解成频率为和的两个正弦波的叠加 于是在模拟乘法 1 2 1 2 器后面加上带通滤波器将的频率分量滤掉就达到混频器的功效了 1 2 问题问题 3 3 四种晶体管混频电路的优缺点比较 晶体管混频器的电路有多种形式 一般按照晶体管组态和本地振荡电压注 入点的不同有下图所示的四种基本电路 其中 a 和 b 为共发混频电路 图 a