非线性电路分析法和混频器ppt课件

1、第五章第五章非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器电路性质：非线性电路性质：非线性分析方法：幂级数法、折线法分析方法：幂级数法、折线法根底知识：泰勒级数、频谱的概念、三角变换根底知识：泰勒级数、频谱的概念、三角变换电路根底与模电中的很多结论不再适用电路根底与模电中的很多结论不再适用折线法是学习第六章功率折线法是学习第六章功率放大器的重要根底！放大器的重要根底！本章内容l5.2 非线性元件的特征l5.3 非线性电路分析法l5.5 混频器的任务原理l5.6 晶体(三极)管混频器l5.7 二极管混频器l5.8 差分对模拟乘法器混频电路l5.9 混频器中的干扰5.1、5.4、5.10不讲不讲

2、第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器为什么不讲5.1、5.4、5.10l分别用一句话可以概括这3节l5.1的结论：不能用微分方程分析非线性电路，由于太复杂不适于工程运用；l5.4：“时变参量实践上是一种分析法，不是特殊的电路，可用其他分析法替代；l5.10：工业干扰对高频的影响主要思索的是平安性如过压维护等，与本章内容关系不大。第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.2 非线性元件的特征l非线性元件的三个主要特征l1输出量与输入量不是线性关系；l这将导致静态(直流)电阻与动态(交流)电阻的不一致l2具有频率变换作用；l混频器正是利用了非线性元

3、件的这个特性l3不满足叠加原理。l这一特征其实是由第(1)个特征决议的第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器特征特征1输出与输入量的非线性关系输出与输入量的非线性关系l为了更好地了解非线性元件，我们先研讨一下线性元件的特点：R纯电阻v输入量vi输出量ivRi1则有vitan1,1tanRR即此直线的斜率为5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征1输出与输入量的非线性关系输出与输入量的非线性关系vi0

4、V0I0)(Vv电压静态是一个直流如果0)(Ii电流静态是一个直流则输出RIVtan100因此静态电阻为tVvSsin)(电压动态是一个很小的交流如果tIiSsin)(电流动态是一个很小的交流则输出Rdidvivvtan1lim0因此动态电阻为可见线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的可见线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的iv非线性元件输入输出关系曲线非线性元件输入输出关系曲线以二极管为例以二极管为例vi根据二极管特性可画出根据二极管特性可画出i-v曲线曲线vi5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征 1输出与输入量的非线性关系输出与输入量的非线性关系非线性元件的静态电阻与动态电阻不一样非线性

5、元件的静态电阻与动态电阻不一样vi0)(Vv电压静态是一个直流如果0V0I0)(Ii电流静态是一个直流则输出tan100IV因此静态电阻为tVvSsin)(电压动态是小交流如果tIiSsin)(电流动态是小交流则输出tan1lim0didvivv动态电阻为可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的特征特征2非线性元件的频率变换作用非线性元件的频率变换作用的关系是与输出量入量假如一个非线性元件输iv)(2器件就有这种特性CMOSvki的标准余弦波时当输入信号tVvSScostkVtVkiSSSS222cos)cos(输出信号tkVkVtkVSSSSS

6、2cos2121)2cos1 (21222留意留意Vs是余弦波的振幅，是一个常数是余弦波的振幅，是一个常数直流分量直流分量2倍频分量倍频分量5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征分别画出输入输出信号的频谱输入信号频谱输入信号频谱)(iFS)(SV输出信号频谱输出信号频谱)(OFS2)21(2SkV可见信号经过非线性电路后频率发生了变换可见信号经过非线性电路后频率发生了变换5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征2非线性元件的频率变换作用非线性元件的频率变换作用特征特征3非线性电路不满足叠加原理非线性电路不满足叠加原理l什么是叠加原理？电路1X1Y2X2Y21XX 21YY 那么称该电路满足叠

7、加原理那么称该电路满足叠加原理5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征输入输入输出输出特征特征3非线性电路不满足叠加原理非线性电路不满足叠加原理5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征的关系是与输出量入量假如一个非线性元件输iv2vki2111111)sin(,sintVkitVv输出为时当输入信号2222222)sin(,sintVkitVv输出为时当输入信号时当输入信号为tVtVvv221121sinsin22211)sinsin(tVtVk输出信号为tVtkVtVktVk2211222211sinsin2sinsin显然不等于显然不等于i1+i2，即不满足叠加原理，即不满足叠加原理5.3

8、 非线性电路分析法l根据详细电路的不同，分析方法是多种多样的，最常见也最适用的方法有2种：l幂级数法l用泰勒级数将曲线在某一点展开成级数方式l折线法l将曲线近似看成假设干首尾相接的线段衔接而成的折线第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.3.1 幂级数法l非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示：)(vfi 处各阶导数存在这个函数在如果根据高等数学知识0)(,Vvf:级数的形式可以表示成如下的泰勒则i.)()()(303202010VvbVvbVvbbi.)( , )( , )( , )(03020100VfbVfbVfbVfb 其中留意：这只是各系数的数学意

9、义，由于留意：这只是各系数的数学意义，由于f(v)的表达式的表达式在实践情况下往往不知道，所以不能直接经过这些公式求各系数在实践情况下往往不知道，所以不能直接经过这些公式求各系数如何经过测绘的曲线图近似求得各系数？如何经过测绘的曲线图近似求得各系数？l普通情况下，只研讨f(v)的前3项即可，即忽略第4项及其以后的各项。202010)()(VvbVvbbi的物理意义先看0b时的输出直流电流即输入电压为直流电压000)(VVfb 0V流工作电压所以一旦我们确定的直00bV 对应的纵坐标即为通过作图找到5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法如何经过作图得到b0vi0V0

10、b5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法b1的几何意义和求法)( 01Vfb处的斜率即曲线在0 Vv0V0bi从图中可读出这从图中可读出这段间隔，记为段间隔，记为xxbVfb001)( 则这一点的斜率5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法b2的求法l在图中任取V0附近一点电压VBl经过作图得到相应的电流iBl从而可列出方程l此方程只需b2一个未知数，故可求之。202010)()(VVbVVbbiBBB大家可以对照教材大家可以对照教材164页的实例了解这个过程页的实例了解这个过程一旦确定了这一旦确定了这3个系数，那么恣意给定一个输入信号

11、，个系数，那么恣意给定一个输入信号，我们都可以求出输出信号的表达式了。我们都可以求出输出信号的表达式了。5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l为什么要分析这种情况？l由于下节要讲的一种混频器正是根据这个原理来实现的。303202010)()()(VvbVvbVvbbi设tVtVVv22110coscos其中的tVtVVv22110coscos)(因此项不含直流成分注意)(0Vv这一点是大家在做题时一定要留意的地方这一点是大家在做题时一定要留意的地方5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.

12、1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路的表达式中的表达式代入将iVv)(0322113222112221110)coscos()coscos( )coscos(tVtVbtVtVbtVtVbbi)coscos(221110tVtVbbttVVbtVbtVb221122222212212coscos2coscostVbttVVbttVVbtVb233232222113221221313313coscoscos3coscos3cos对含余弦相乘的项进展积化和差，直到没有余弦相乘的项对含余弦相乘的项进展积化和差，直到没有余弦相乘的项5.3 非线性电路

13、分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l整理后的表达式有13项，我们用k0k12来简化表示各项的系数：tktkki22110coscostktk24132cos2costktk)cos()cos(216215tktk28173cos3costktk)2cos()2cos(2110219tktk)2cos()2cos(21122111察看上式可以发现一些规律察看上式可以发现一些规律2倍频倍频3倍频倍频和频和频差频差频5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路

14、两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l信号频率变换的规律l1含有新的频率成分；l2假设把频率成分表示成p1 q2的方式，其中p和q是大于等于0的整数，那么p+q一定小于等于幂级数表达式中的最高次数；l3频率组合总是成对出现的；l详细分析k0k12还可发现l4p+q为偶数的项的系数只与b0，b2,有关，而与b1,b3,无关，反之亦然l5令p+q=m，那么含有p1 q2的项的系数只与bm及bm以后的b有关，而与b0至bm-1无关 这两点比较常用5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1l假设一非线性电路满足教材164页的5.3.8式，当输入信号为l1输出信号都

15、有哪些频率分量？l2求输出信号中，差频分量的频率及其振幅。)(3000cos2 . 02000cos3 . 04 . 0伏特tt5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答125.3.8式中最高次项的次数是因为0, 0qp2)qp(q21其中成分有输出信号中含有的频率的规律可知根据幂级数分析法得到p直流成分0, 1qp分量即分量Hzft1000,20001, 0qp分量即分量Hzft1500,3000qpqp, 1, 1分量即分量Hzft2500,5000qpqp, 1, 1分量即分量Hzft500,10000, 2qp分量即分量Hzft2000,00

16、042, 0qp分量即分量Hzft3000,00065.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答2l由上面分析可知，差频分量的频率为500Hzl要求振幅需求计算：ttv3000cos2 . 02000cos3 . 04 . 0ttVv3000cos2 . 02000cos3 . 002)3000cos2 . 02000cos3 . 0(50 )3000cos2 . 02000cos3 . 0(408tttti5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答2续tttttti3000cos2000cos6 0003c

17、os22000cos4.5 )3000cos2 . 02000cos3 . 0(40822只需这一项能产生差频只需这一项能产生差频tt0005cos30001cos3这一项积化和差后差频分量差频分量mA3差频分量的振幅为5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法5.3.2 折线分析法l幂级数法适用于中等大小的信号l当信号振幅更大时，幂级数取的项数必需增多，分析难度加大，所以不再适用，此时应采用折线分析法vBBZViC近似为近似为vBBZViC5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法iC的近似表达式即级数法中的f(v)l此折线可以表示为Ci)(0BZBVv 当)(BZB

18、BZBCVvVvg当”后的截止电压是晶体管特征“折线化BZV段折线的斜率）是跨导（即第2Cg5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 5.3.2 折线分析法折线分析法用折线分析法分析大输入信号vBBZViCBBVtttt对应相角这一小段时间iC 0t0也称为截止角称为半流通角所以，称为流通角我们把这段相角记为,2cc5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 5.3.2 折线分析法折线分析法电流余弦脉冲ic的表达式BZViCBBVtvB)(BZBcCVvgi思索在流通角内思索在流通角内bmBVv 的振幅为设输入信号VbmtVVvbmBBBcos则代入代入vB)cos(BZbmBBcCVtVVgi

19、得0tcc即绿线对应的相角正好是,t时所以当我们在上式中取t0刚好降到此时Ccit5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 5.3.2 折线分析法折线分析法cosc的表达式的表达式iCBZVBBVtvBVbm0tt)cos(0 )(BZcbmBBcVVVg得续上页bmBBBZcVVVcos得我们在后面学习第我们在后面学习第7章，章，功率放大器时，主要运功率放大器时，主要运用折线法，所以这个公用折线法，所以这个公式相当重要！式相当重要！5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 5.3.2 折线分析法折线分析法电流最大值iCmax的表达式tiC 0iCmax恰好取到最大值时当从图中可以看出Cit,

20、0,)cos(maxBZbmBBcCVtVVgi0t)0cos(BZbmBBcVVVg)(BZbmBBcVVVg)1 (bmBZBBbmcVVVVg恰好为恰好为cosc)cos1 (cbmcVg此式在功率放大器一章有用此式在功率放大器一章有用5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 5.3.2 折线分析法折线分析法第5次作业l补充题1l假设一非线性电路满足教材164页的5.3.8式，当输入信号为l(1)输出量i中能否有输入信号的3倍频分量？为什么？l(2)求输出量i中差频分量的频率和振幅。l补充题2l采用折线分析法分析晶体管iCvB曲线时,假设输入信号 ,晶体管截止电压VBZ=1.2V，跨导g

21、c=0.1(mA/V),求时伏特)(8000cos3 . 06000cos4 . 05 . 0ttv)(1000cos8 . 42 . 1VtvBmaxcosCCi和)0(BBbmBBBVVVv要注意和的表达式中可读出提示：从5.5 混频器的任务原理l什么是“混频？l教材175176页给出了混频的概念，但是由于我们还没学习到调制与解调，所以我们同时给出一个比较简明的概念：l将2个或2个以上不同频率的信号输入到一个非线性电路中，经过选频网络从输出信号中可提取出“差频或“和频信号，通常称这种非线性电路为“混频器第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器混频器的作用l主要用于信号

22、的频谱搬移及调制解调5.5 混频器的任务原理混频器的任务原理混频器是如何实现频谱搬移的会产生差频。输入到非线性电路中，后不同频率的余弦波叠加我们在前面学过，两个余弦波分别是：如果这两个不同频率的),(cos这里是为了分析简便能是一个单一余弦波要注意实际的语音不可低频语音信号tVvSSS)t(cosV000通常由振荡器产生高频载波信号v5.5 混频器的任务原理混频器的任务原理混频器是如何实现频谱搬移的l假设非线性电路的表达式为5.5 混频器的任务原理混频器的任务原理20)(vvkiS代入上式可得与则将0vvS200)coscos(tVtVkiSStVtkVtVktVk2211222211cosc

23、os2coscos)(21202VVkStkVtkVSS02022cos212cos21直流分量倍频分量tVkVtVkVSSSS)cos()cos(0000和频分量差频分量)(见下页分别画出其频谱混频器是如何实现频谱搬移的5.5 混频器的任务原理混频器的任务原理语音输入信号频谱语音输入信号频谱)(SFS)(SV载波输入信号频谱载波输入信号频谱)(0F0)(0V输出输出信号信号频谱频谱S2)(outF020S0S0设计一个设计一个选频网络选频网络S2S20从低频搬移从低频搬移到了高频到了高频要留意假设采用差频，搬移后频谱要左右翻要留意假设采用差频，搬移后频谱要左右翻转转变频电压增益的概念电压振幅

24、不是载波输入有用信号的振幅输出的差频或和频电压变频电压增益)(vcA混频电路混频电路0vvS0-S带通滤波带通滤波tVkVSS)cos(00LSLSvcRkVVRVkVA00子中根据定义在上面这个例LR要留意此结果并非适用于一切电路和信号，详细情况要详细计算要留意此结果并非适用于一切电路和信号，详细情况要详细计算5.5 混频器的任务原理混频器的任务原理混频器的种类l晶体三极管混频器5.6l二极管混频器5.7l模拟乘法器混频器5.8第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.6 晶体(三极)管混频器l本节的构造本节的构造l晶体三极管混频器的电路组态种类及优缺晶体三极管混频器

25、的电路组态种类及优缺陷陷l晶体三极管混频的原理晶体三极管混频的原理l适用三极管混频电路分析适用三极管混频电路分析第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.6.1 晶体三极管混频器电路组态种类及优缺陷l按三极管的交流接地点不同来分l按两个输入信号能否从同一极输入来分共发射极共基极同极输入不同极输入5.6 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器共发射极、信号从同极输入三极管混频器fi+vsvo( a)理解。页超外差接收机电路来大家可结合教材第是本振信号。信号书上简称为是携带信息的有用信号符号说明9; ,:0vvS图图(a)电路对振荡电压来说是共发电路电路对振荡电压来说是共发电

26、路输出阻抗较大对谐振回路影响小输出阻抗较大对谐振回路影响小混频时所需本地振荡注入功率较小混频时所需本地振荡注入功率较小这主要是由于共发电路功率放大性能较高这主要是由于共发电路功率放大性能较高但由于信号输入电路但由于信号输入电路 与振荡电路与振荡电路相互影响较大相互影响较大(直接耦合，即串联直接耦合，即串联)能够产生频率牵引景象能够产生频率牵引景象指本振指本振v0频率随频率随vs频率改动而改动，而非自助振荡。频率改动而改动，而非自助振荡。5.6 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器共发射极、信号从不同极输入三极管混频器fi+vsvo( b)输入信号 与本振电压 分别从基极输入和发射极注入产生牵引

27、景象的能够性小对于本振电压来说是共基电路因此振荡波形好，失真小通常此时三极管起到双重作用通常此时三极管起到双重作用:振荡与混频振荡与混频而共基极的振荡器稳定性是最好的。而共基极的振荡器稳定性是最好的。缺陷是需求较大的本振注入功率但这一点不难实现但这一点不难实现,因此这种方式的混频器因此这种方式的混频器在实践中运用最多。在实践中运用最多。5.6 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器共基极的晶体三极管混频器fi+vsvo(c)fi+vsvo(d )两种电路都是共基混频电路两种电路都是共基混频电路低频时变频增益低低频时变频增益低(缘由是放大倍数低缘由是放大倍数低)但在较高的频率任务时但在较高的频率任

28、务时(几十几十MHz)，由于共发射电路的，由于共发射电路的f衰减很快，衰减很快，而共基电路的截止频率而共基电路的截止频率f衰减慢衰减慢,共基电路在高频段反而变频增益较共基电路在高频段反而变频增益较大。大。因此，在较高频率任务因此，在较高频率任务(如电视机电路如电视机电路)时采用这种电路。时采用这种电路。5.6 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器三极管几种组态的总结l高频尤其是上100MHz时，该当采用共基极组态的混频器；l中高频几百kHz到几十MHz时，可以采用共射组态的混频器；l携带信息的有用信号vS与本地振荡信号v0尽量从不同极输入；即使从同极输入，该当使二者的耦合度降至最低。5.6 晶

29、体晶体(三极三极)管混频器管混频器由于由于 iC = f (vBE)= f (VBB + v0+ vs )(SBBCBBSvVfiVv即的偏置电压把此项看作是那么在恣意一个时辰那么在恣意一个时辰工作区的小信号可以看作在近似线性的SvSBBBBCvVfVfi)()(于是有幅度一般很大由于0vVVBBBB)(BBBBVfV点展开所以必须用泰勒级数在0vVVBBBB.)()()(2210BBBBBBBBBBVVbVVbbVf5.6.2 晶体三极管混频原理 VBB O O ic t ebe ebe a 2 b2 a b a 1 b1 BEv较小黑色信号较大红色信号Svv0 VBB O O ic t e

30、be ebe a 2 b2 a b a 1 b1 .)(303202010vbvbvbbVfBB.coscos cos)(300320020010tVbtVbtVbbVfBB则tVv000cos设02积化和差后产生03积化和差后产生.432)(0000、中只有直流、可以发现BBVf.2coscos)(02010tItIIVfcmcmcBB可以表示成CBBBBiVfVf都代入上页中的与将)()(.)(342321vbvbvbbvf由于的形式也可写成.2coscos)()(02010tgtggVfVfBBBBBEv三极管混频器中ic的表达式.)2coscos(02010tItIIicmcmcCSv

31、tgtgg.)2coscos(02010tVvSSScos设)(BBVf)(BBVf.)2coscos(02010tItIIicmcmcCtVtgtggSScos.)2coscos(02010)cos(22,01SSgV分量项积化和差，产生差频此展开后变频跨导的概念l输出电流中，差频分量电流的振幅与输入的信号(留意指的是vS而不是v0)电压振幅之比SSScVvg的振幅信号的振幅输出电流中即)cos(0变频跨导于三极管混频器从前面的推导可知，对,2211gVgVgSScgc的工程计算公式的工程计算公式的近似表达式以人们通过实验找到是很难计算出来的，所11gg21)26(126bbETSEIIg1

32、21ggc2)26(12621bbETSEIImA工作点电流，单位是mVUT单位是模拟电子中的频率携带信息的有用信号的Tf2即晶体管的特征角频率，了解即可了解即可5.6.3 三极管混频器的适用电路 接高放 V0 C1 2.2pF 8.2pF 10pF 2k 15k 1500pF R 1.2k C3 120pF 510 75 接 中 放 12V 27pF C2 39pF 适用电路适用电路1：电视机中的混频器电路：电视机中的混频器电路高频放大器输入的信号，经双调谐电路耦合加到混频管的基极高频放大器输入的信号，经双调谐电路耦合加到混频管的基极采用电容抽头，以实现阻抗匹配，使信号功率尽能够向后传送采用

33、电容抽头，以实现阻抗匹配，使信号功率尽能够向后传送本振电压经过耦合电容本振电压经过耦合电容C1也加到基极上也加到基极上这两个电阻为混频器的三极管提供直流偏置电压这两个电阻为混频器的三极管提供直流偏置电压负反响电路，提高混频电压增益的稳定性负反响电路，提高混频电压增益的稳定性以双调谐耦合回路作为混频器负载，并经过以双调谐耦合回路作为混频器负载，并经过R扩展通频带扩展通频带最后依然运用电容抽头电路实现阻抗的匹配最后依然运用电容抽头电路实现阻抗的匹配75上图中信号频谱的搬移及处置S)(SF0)()(0载波F经过上页的混频器混频后S0高频区高频区中频区中频区中频放大器比高频放大器容易实现，且更稳定中频

34、放大器比高频放大器容易实现，且更稳定经双调谐耦合回路滤波后，除去无用频率分量经双调谐耦合回路滤波后，除去无用频率分量fp、fs高频电视信号fLC0C1本振信号V1V2C183C187CMC187C189L181L182C190R190R189中频电视信号fPIF、fSLFC2 晶体管混频器适用电路2只画出了交流部分日立日立CTP-236D型彩色电视机型彩色电视机ET-533型型VHF高频头内的混频器高频头内的混频器由共射由共射-共基组合电路构成混频器共基组合电路构成混频器其特点是所需求的信号功率小，功率增益较大，因此这种其特点是所需求的信号功率小，功率增益较大，因此这种组合电路在实践中非常普遍

35、组合电路在实践中非常普遍后面是滤波网络后面是滤波网络,实现阻抗匹配和选频的作用。实现阻抗匹配和选频的作用。 以下图是晶体管中波调幅收音机常用的变频电路，其中以下图是晶体管中波调幅收音机常用的变频电路，其中本地振荡和混频都由三极管本地振荡和混频都由三极管3AG1D3AG1D完成。完成。C1A5/15pFC2sR122kR282kC33AG1D0.05FR35100pFC70C1BC65/15pFC4300pF1VCCC5200pFL22.2kL3L5L6L1 晶体管混频器适用电路3由于还没有学振荡器，所以其详细原理在第七章再引见由于还没有学振荡器，所以其详细原理在第七章再引见5.7 二极管混频器

36、l有了三极管混频器为什么还要设计二极管混频器？l缘由：当输入信号振幅比较大时，三极管混频器转移函数用泰勒级数展开后，必需取很多项，导致混频后输出信号的频率成分太多，干扰严重。.)()()()(404303202010VvbVvbVvbVvbbi二极管混频器的种类l二极管平衡混频器l利用对称的电路抵消掉一部分无用频率分量l二极管环形混频器双平衡混频器l是对二极管平衡混频器的改良5.7.1二极管平衡混频器l电路原理图vS中。经互感耦合输入到电路携带信息的有用信号Sv1D1L2D2L 0v个对称的回路。形成的中点和跨接在本振信号2,210LLvvout经互感耦合输出。混频后的差频信号outv二极管平

37、衡混频器原理分析vS1D1L2D2L 0vvout2Sv2Sv设输入互感线圈的电压感应系数为设输入互感线圈的电压感应系数为1的振幅的振幅远远大于一般情况下Svv0,决定的导通和截止完全由和所以可以认为021vDD截止和负半周期时导通和正半周期时即210210;DDvDDv二极管平衡混频器原理分析vS1D1L2D2L 0v2Sv2Sv)(,21tSii我们引入一个开关函数的表达式和为了写出电流i1i201)(ts0cos,00tv即正半周期当0cos,00tv即负半周期当)21)(1)21)(1020121sLdsLdvvtsRrivvtsRriii可分别表示为和则二极管平衡混频器原理分析tt0

38、cost)(tS展开所以可以用付立叶级数为一周期函数,)(tStttts0005cos523cos32cos221)(二极管平衡混频器原理分析vS1D1L2D2L 0vvout2Sv2Svi1i2)(121如图为的上半部分产生的电压在RiLiLRi1)(222如图为的下半部分产生的电压在LRiLiLRi21的感应系数也为设输出互感线圈LLoutRiRiv21则)21)()21)(00sLdLsLdLvvtsRrRvvtsRrR二极管平衡混频器原理分析sLdLoutvtsRrRv)(tVtttRrRSSLdLcos)5cos523cos32cos221(000S0S03S05比三极管混频器产生的

39、频率成分要少很多比三极管混频器产生的频率成分要少很多S5.7.2 二极管环形混频器l原理电路 Vs i2 D31 D24 D12 D43 + i1 i3 vi iL1.2+ iL3.4 RL B1 B2 + v s + v s + v 0 + v 0 二极管环形混频器原理分析 Vs i2 D31 D24 D12 D43 + i1 i3 vi iL1.2+ iL3.4 RL B1 B2 + v s + v s + v 0 + v 0 与平衡混频器完全一样截止导通正半周期时,42310DDDDv的平衡混频器正半周期输出极性反向成为一个与截止导通负半周期时031420,vDDDDv11)(,ts导致

40、这样的结果正半周期当0v负半周期当0v二极管环形混频器原理分析tt0cost)(tSttttS0005cos543cos34cos4)(二极管环形混频器原理分析tVtttRrRvSSLdLoutcos)5cos543cos34cos4(000S0S03S05分量又减少了比与二极管平衡混频器相S,信噪比。有利于降低噪声，提高垃圾减少这些分量垃圾其他分量都是除了,0S 目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品，一个用于器已作为系列产品，一个用于0.5500MHz0.5500MHz的典型环形混频器的的典型环形混频器的外形及电

41、路示于以下图。外形及电路示于以下图。 运用时，运用时，8 8，9 9端外接信号电压端外接信号电压s s，3 3、4 4端相连，端相连，5 5、6 6端相端相连，然后在连，然后在3 3，5 5端间加本振电压端间加本振电压0 0，中频信号由，中频信号由1 1，2 2端输出。端输出。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、调制器等。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、调制器等。(a)89123456(b)二极管混频器与三极管混频器的比较三极管混频器三极管混频器 优点：变频增益大于优点：变频增益大于1 1 缺陷：缺陷：1 1、动态范围较小、动态范围较小 2 2、组合频率干扰严重、组合频率干

42、扰严重 3 3、噪声较大、噪声较大 4 4、存在本地辐射、存在本地辐射二极管混频器二极管混频器 优点：优点：1 1、动态范围较大、动态范围较大 2 2、组合频率干扰少、组合频率干扰少 3 3、噪声较小、噪声较小 4 4、不存在本地辐射、不存在本地辐射 缺陷：变频增益小于缺陷：变频增益小于1 15.8 差分对模拟乘法器混频电路l模拟乘法器混频原理tScost0costtS0coscos)cos()cos(2100ttSS只需和频、差频分量，只需和频、差频分量，“渣滓分量最少渣滓分量最少结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理于电流源差动放大器的跨导正比根据模拟电子的知识,coscos记为设输入

43、信号tvSS)(),(cos76176011176工作点电流为的取的取集电极电流可写成TTITTIkITTQQcoscos0111IkIQcos0111IkIQSv高频信号输入6T01I7TC2结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理组成的放大器同时也输入到组成的放大器输入到后形成两个反相的信号本振信号经过543213,TTTTT2T3Tcos0111IkIQ4T5Tcos0111IkIQ图所示，并将参考方向标为如将此信号记为cos13TCCV0vcoscosC7C66T01I7T结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理),(cos)cos(),(cos)cos(4501112254320

44、1112232的取的取集电极电流为的取的取集电极电流为则TTIkIkITTTTIkIkITTQQQQcos)cos(011122IkIkIQQcos)cos(011122IkIkIQQcos)cos(011122IkIkIQQcos)cos(011122IkIkIQQ2T3Tcos0111IkIQ4T5Tcos0111IkIQcoscosC7C6)(522的工作点电流为TTIQ结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理集电极电流之和集电极电流与的电流为经过424TTR2T3Tcos0111IkIQ4T5Tcos0111IkIQCCV4Rcos)cos(011122IkIkIQQcos)cos(

45、011122IkIkIQQcoscos22 cos)cos( cos)cos( 01212011122011122IkkIIkIkIIkIkIQQQQQ即分量得到加强分量抵消注意：coscos,coscoscos2201212IkkIQ结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理组成的放大器中输入到号经形成一对反相的乘积信9843TTCCcoscos22 ,01212535IkkITTRQ该电流等于集电极电流之和集电极电流与的电流为同理经过2T3Tcos0111IkIQ4T5Tcos0111IkIQCCVcoscos2201212IkkIQ5Rcos)cos(011122IkIkIQQcos)c

46、os(011122IkIkIQQ结合教材P189图5.8.2了解乘法器原理)(549843RRRTTCC图中组成的放大器中并输入到去直流号经形成一对反相的乘积信2T3Tcos0111IkIQ4T5Tcos0111IkIQCCV4Rcoscos2201212IkkIQ5Rcoscos2201212IkkIQ至T8)coscos22(01212IkkIRVQCC)coscos22(01212IkkIRVQCCcoscos20121IkRk至T9C3C4coscos20121IkRk模拟乘法器混频器的优缺陷l优点：l频率分量最“干净无用频率分量少l缺陷：l输入信号只能是mv级ttttSSS)cos(

47、21)cos(21coscos000差分对模拟乘法器混频电路适用电路 1k 1k 0.01 +8V 0.001 4.5H 0.001 0.001 51 10k 51 6.8k 8V 50k 调零 v0 vs vi 2 3 7 8 1 4 10 5 9 6 MC1596 580pF 9480pF 100H 100H 信号电压由端子输入信号电压由端子输入最大值约最大值约15mV本振电压由端子输入本振电压由端子输入振幅约振幅约100mV相乘后的信号由第端子输出经带通滤波后，即可获得中频信号输出。相乘后的信号由第端子输出经带通滤波后，即可获得中频信号输出。5.9 混频器中的干扰l干扰的主要种类l组合频

48、率干扰和副波道干扰l交叉调制干扰l相互调制干扰l阻塞景象和相互混频了解即可了解即可重点掌握重点掌握 由于混频器是依托非线性元件来实现变频，而经过非线性元件由于混频器是依托非线性元件来实现变频，而经过非线性元件的信号将含有许多频率成份的信号将含有许多频率成份 Sqfpf 0, (p , q=0,1, 2,3,.)有用信号有用信号vS(f c)v0(f 0)v中频中频(f i)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器u( )Sqfpf 0假设设输入信号为假设设输入信号为 )(ssfv,本振频率信号为本振频率信号为 )(00fv而这而这 些组合频率的信号中只需和中频频率些组合频率的信号中只需和中频频率 Sifff0一样或接近，一样或接近， 都会和有用信号一同被选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引都会和有用信号一同被选出，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任务。起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常任务。 Bfi5.9.1