第六章混频器3-1

1、第六章第六章 混频器混频器 6.1 6.1 混频器概述混频器概述 发射机发射机上上混频器混频器将已调制中频信号搬移到射频将已调制中频信号搬移到射频 接收机接收机下下混频器混频器将接收到的射频信号搬移到中频将接收到的射频信号搬移到中频 本振信号本振信号： tVtv LOLOLO cos)( 射频信号射频信号： tVv RFRFRF cos 相乘得相乘得： ttVVvv LORFLORFRFLORFLO coscos 2 1 基本方法基本方法： 乘法器乘法器滤波器滤波器 非线性器件非线性器件滤波器滤波器 中频滤波器中频滤波器 调幅调幅接收机接收机混频器的结构框图混频器的结构框图 混频器结构：三个端

2、口混频器结构：三个端口输入输入信号、信号、本振本振信号、信号、中频中频信号信号 时域时域特性特性输出、输入输出、输入波形波形相同、载频不同相同、载频不同 混频本质混频本质 线性频谱搬移线性频谱搬移 频域频域特性特性输出、输入输出、输入频谱结构、频谱结构、带宽带宽相同，相同， 载频不同载频不同 混频电路的实现混频电路的实现 1. 乘法器乘法器 2. 非线性器件非线性器件 双极晶体管双极晶体管 场效应管场效应管 二极管二极管 为减少组合频率分量为减少组合频率分量 工作于工作于线性时变状态线性时变状态 混频器的混频器的主要指标主要指标 增益增益 10 dB NF 12 dB IIP3 +5 dBm

3、输入阻抗输入阻抗 50 口间隔离口间隔离 10 20 dB 变频变频增益增益 = 输出输出中频中频 输入输入射频射频 1. 增益增益 射频口射频口阻抗阻抗 中频口中频口阻抗阻抗 按按增益增益划分混频器划分混频器 有源有源混频器混频器增益大于增益大于1 无源无源混频器混频器增益小于增益小于1 电压增益电压增益功率增益功率增益 RF IF V V V A RF IF P P P G 两者关系？两者关系？ L S V SRF LIF RF IF P R R A RV RV P P G 2 2 2 / / 2. 噪声噪声 讨论混频器噪声的意义讨论混频器噪声的意义 接收机前端，对系统噪声影响大接收机前端

4、，对系统噪声影响大 对射频而言是线性，可用线性网络对射频而言是线性，可用线性网络 噪声计算公式噪声计算公式 混频器的噪声来源混频器的噪声来源 电路器件噪声电路器件噪声 两个输入噪声两个输入噪声 射频输入射频输入 本振输入本振输入 混频器的输出噪声混频器的输出噪声位于中频段位于中频段 频谱搬移频谱搬移 低噪放低噪放 F1、G1 带通滤波器带通滤波器 F2、G2 混频器混频器 F3、G3 32 1 112 11FF FF GG G 混频器的混频器的单边噪声单边噪声和和双边噪声双边噪声 讨论射频噪声的搬移讨论射频噪声的搬移 单边单边噪声噪声 射频信号位于本振的一边射频信号位于本振的一边 被搬移到被搬

5、移到中频中频的噪声的噪声 射频射频信号段信号段 镜像镜像频段频段 双边双边噪声噪声 射频信号位于本振的两边射频信号位于本振的两边 不存在镜像频率（如零中频方案）不存在镜像频率（如零中频方案） 单边单边噪声是噪声是 双边双边的两倍的两倍 （高（高3dB） 非线性非线性 器件器件 本振本振 中频中频 滤波器滤波器 RF fIF f IF f 3. 失真失真 混频混频频谱线性搬移频谱线性搬移非线性器件非线性器件平方项平方项 非线性器件非线性器件高次方项高次方项产生组合频率产生组合频率干扰、失真干扰、失真 （1）干扰哨声）干扰哨声 特征：接收机音频出现哨叫特征：接收机音频出现哨叫 混频输入：混频输入：

6、仅有仅有有用射频有用射频 RF f IF fF付波道付波道中频中频 主中频主中频 付波道中频付波道中频 进入检波（解调）进入检波（解调）形成形成哨叫哨叫 主主中频：中频： LORFIF fff （二次方项二次方项） 组合组合频率频率 RFLO pfqf npq（ 次方项次方项 ） （2）寄生通道干扰）寄生通道干扰 非线性非线性 器件器件 本振本振 中频中频 滤波器滤波器 RF fIF f IF f 主主中频：中频： LORFIF fff 干扰信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率 LOm qfpf IF f 寄生通道干扰寄生通道干扰 最最主要主要的寄生通道干扰的寄生通道干扰 1, 0pq

7、 镜像镜像频率干扰频率干扰IFLOm fff RF f LO f m f 特征：输入伴有特征：输入伴有干扰信号干扰信号 m f 1, 1pq变换能力与主中频一样变换能力与主中频一样 2npq 中频干扰中频干扰 IFm ff直通直通 不需要混频不需要混频 变换能力最强变换能力最强 靠得靠得最近最近的干扰（半中频干扰）的干扰（半中频干扰） RF f LO f 2 RFLO m ff f LOm qfpf 2,2qp 2222 2 LORF LOmLOIF ff ffff 4npq 变换能力：变换能力： 由非线性器件的由非线性器件的4次方引起次方引起 m f 0 IF f 三种比较主要的三种比较主要

8、的寄生通道干扰寄生通道干扰见图见图 （3 3）互调失真）互调失真 非线性非线性 器件器件 本振本振 中频中频 滤波器滤波器 RF fIF f IF f 特征：输入端伴有多个干扰信号特征：输入端伴有多个干扰信号 1m f 2m f 但是当但是当组合频率组合频率 11 () mmRF rfsff 每个干扰和本振混频每个干扰和本振混频 1LOmIF qfpff 2LOmIF qfpff 由非线性器件的由非线性器件的 次方项次方项 产生产生1nrs IFLOmm ffsfrf)( 11 互调干扰互调干扰 称称 三阶互调三阶互调 3 sr4n 满足满足 RFmm fff 21 2或或 RFmm fff

9、12 2 4. 线性范围线性范围 问题问题:混频是一种非线性功能，为什么有混频是一种非线性功能，为什么有“线性线性”指标？指标？ 混频混频 射频射频 本振本振 中频中频混频器的混频器的非线性非线性 输出、输入输出、输入频率不同频率不同 混频器的混频器的线性线性 输出输出中频中频幅度幅度 输入输入射频射频幅度幅度 成正比成正比 线性指标线性指标 变频增益变频增益下降下降1-dB1-dB时相应的输入（或输出）功率值时相应的输入（或输出）功率值 （1 1） 1-dB 1-dB 压缩点压缩点 （2 2）三阶互调截点）三阶互调截点 混频混频射频射频 本振本振 中频中频 1RF f 2RF f RF f

10、输入信号输入信号 有用有用信号信号 RF f 1RF f 2RF f 干扰干扰信号信号 （设输入信号幅度相同）（设输入信号幅度相同） 互调互调信号产生信号产生 的中频的中频 12 (2) RFRFLOIF ffff 主主中频中频 LORFIF fff 幅度相等，三阶截点幅度相等，三阶截点 截点对应的输入、输出截点对应的输入、输出 （3）线性动态范围）线性动态范围 定义：定义：1-dB 1-dB 压缩点与混频器的噪声基底之比，用压缩点与混频器的噪声基底之比，用dBdB表示表示 混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高 5. 口间隔离口间

11、隔离 射频口射频口 本振口本振口 中频口中频口 本振泄漏本振泄漏 影响影响LNA 天线辐射天线辐射 频率频率 牵引牵引 强信号强信号 堵塞堵塞 射频口射频口 中频口中频口 一般情况一般情况 射频射频中频，被滤除中频，被滤除 零中频方案时零中频方案时 低噪放的偶次谐波失真会窜入中频低噪放的偶次谐波失真会窜入中频 零中频零中频方案中，射频口方案中，射频口 中频口的影响中频口的影响 信号强信号强 频率相近频率相近 tVtv 111 cos)( tVtv 222 cos)( 射频输入为：射频输入为： )()()()( 21 tvtvtvtv RF 设设LNA特性为：特性为： )()()( 2 21 t

12、vatvati 偶次方偶次方项产生的项产生的差拍差拍 )cos( 21212 VVa 差拍信号从射频口差拍信号从射频口 中频口中频口干扰干扰 直通泄漏直通泄漏 6. 阻抗匹配阻抗匹配 混频器混频器低噪放低噪放 中频中频 滤波器滤波器 本振源本振源 对混频器三个口对混频器三个口 的的阻抗要求阻抗要求 匹配匹配最佳传输最佳传输 每个口对每个口对另外另外两个口的信号两个口的信号 力求短路力求短路 减少口间干扰减少口间干扰 6. 2 6. 2 有源混频器电路有源混频器电路 用双极型晶体管或场效应管构成用双极型晶体管或场效应管构成特征特征: 混频增益混频增益 1 6.2.1 6.2.1 单管跨导型混频器

13、单管跨导型混频器 1. 工作原理工作原理 直流电源直流电源 和偏置和偏置 射频输入射频输入 和和本振本振 中频输出中频输出 原理电路原理电路 （1）工作状态）工作状态线性时变线性时变 线性时变必须线性时变必须满足的条件：满足的条件： )()()(tvtvVtv RFLOGGGS tVtv RFRFRF cos)( tVtv LOLOLO cos)( 两个输入：两个输入： RFLO VV一大一小一大一小，且且 分析线性时变的两要素分析线性时变的两要素 （a）时变）时变时变偏置引出时变偏置引出时变跨导时变跨导 )()(tvVtV LOGGGSQ 时变偏置：时变偏置： .)()( 2 210 tVv

14、atVvaai GSQGSGSQGSD 在时变工作点展开在时变工作点展开 D i . 2 210 RFRFD vavaai 代入代入 时变跨导富氏展开：时变跨导富氏展开： .2coscos)( 210 tgtggtg LOmLOmmm 重复频率为重复频率为 LO tdtgg LOmm )( 2 1 0 ttditgg LOLOmmi cos)( 1 . 2 210 RFRFD vavaai展开式展开式 系数随系数随时变偏置时变偏置而而时变时变 .)()()( 2 210 RFRFD vtavtatai 时变频率时变频率与与时变偏置时变偏置中的中的 相同相同 LO 时变跨导：时变跨导： )(tg

15、m )( 1 ta （b）线性）线性小信号与时变跨导相乘引出频谱线性搬移小信号与时变跨导相乘引出频谱线性搬移 )()()( 0 tvtgtIi RFmDD 漏极输出电流漏极输出电流 条件：小信号条件：小信号 相乘相乘 1( ) ( ) mRF gtvt () RFLO () RFLO 定义：定义：变频跨导变频跨导 1 2 1 m RF IF fc g V I g 时变跨导基波分量的一半时变跨导基波分量的一半 输出中频电压输出中频电压 1 1 ( )cos 2 IFmLRFIF vtg RVt 11 11 ( )cos()cos 22 IFmRFRFLOmRFIF itgVtgVt 滤波滤波，得

16、中频电流，得中频电流 变频增益变频增益 LfcRFRFLm RF IF v RgVVRg V V A/ 2 1 1 IF D i （2）变频跨导的求法）变频跨导的求法 已知器件的已知器件的伏安特性曲线伏安特性曲线 GSD vi 根据根据跨导的定义跨导的定义 GS D m dv di g 求出器件的求出器件的 关系曲线关系曲线 GSm vg 代入混频器的代入混频器的时变偏置时变偏置 )()(tvVtv LOGGGS GG V ( ) LO vt 变频跨导变频跨导 1 1 2 fcm gg 通过曲线通过曲线 画出画出时变跨导的波形时变跨导的波形 GSm vg)(tgm 分析分析变频跨导变频跨导与与

17、 本振幅度本振幅度 的关系的关系 LO V 1max 2 mm gg 的基波分量最大的基波分量最大)(tgm 变频跨导的最大值变频跨导的最大值 max 1 fcm gg 变为变为方波方波)(tg m max1 ( )() mmLO gtgSt 对对 富氏级数分解富氏级数分解 求出求出基波分量幅度基波分量幅度 )(tgm 1m g 2. 设计考虑设计考虑 （1 1）RF口和口和LO口的设计口的设计 隔直流电容隔直流电容 匹配匹配 问题：问题： RF口和口和LO口同接在栅极口同接在栅极 管子输入端管子输入端与谁匹配？与谁匹配？ 主要考虑与主要考虑与RF口前低噪放口前低噪放 匹配匹配保证小信号传输保

18、证小信号传输 LO 口的耦合电容很小，以使本振源不影响口的耦合电容很小，以使本振源不影响RF口的参数口的参数 晶体管作为晶体管作为混频器混频器的的等效电路？等效电路？ ds r 与作为与作为放大器放大器的的等效电路等效电路的的 异同？异同？ 输入阻抗同输入阻抗同 GSRFGSRF i CC R 11 输出阻抗同输出阻抗同 等效电流源不同等效电流源不同 mgs g v fcgs g v 放大器放大器 混频器混频器 变频跨导变频跨导 （2）偏置偏置 在相同的本振幅度下，在相同的本振幅度下，偏置偏置不同，不同，时变跨导时变跨导也不同也不同 时变偏置时变偏置 )()(tvVtv LOGGGS )(tv

19、LO随本振电压随本振电压 变化时，变化时， 应保证应保证场效应管工作于场效应管工作于饱和区饱和区 措施措施漏极加漏极加LO串连回路串连回路 漏极对本振的漏极对本振的 交流阻抗为交流阻抗为0， 本振变化不影响本振变化不影响 漏极电压漏极电压 （3）输出回路输出回路 中频输出回路功能：中频输出回路功能： 选频滤波选频滤波 阻抗变换阻抗变换 （4）中频陷波中频陷波 目的：目的： 为了减少混入输入端的中频干扰和噪声为了减少混入输入端的中频干扰和噪声 方法：方法： FET的栅极应对中频短路的栅极应对中频短路中频陷波器中频陷波器 （5）本振注入方式本振注入方式 从从源极源极注入注入 优点优点LO 口与口与

20、RF口的隔离加大口的隔离加大 从从栅极栅极注入注入 优点优点需要的本振功率小需要的本振功率小 缺点缺点LO 口与口与RF口的隔离差口的隔离差 直流栅偏压直流栅偏压 S RGG VV 时变偏置时变偏置)()(tvVtV LORGS S 缺点缺点 本振源提供的功率比从栅极注入要大本振源提供的功率比从栅极注入要大 对射频对射频 的的负反馈负反馈，使混频增益下降，使混频增益下降 S R 3. 双栅双栅FET混频器混频器 双栅混频器交流通路图双栅混频器交流通路图 电路特点电路特点 场效应管场效应管两个栅极两个栅极 本振信号本振信号接在接在 靠近漏极的靠近漏极的栅极栅极G2上上 射频信号射频信号接在接在 靠近源极的靠近源极的栅极栅极G1上上 本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配 接本振信号的栅极接