高频电子电路73

1、7.5 混频器原理及电路混频器原理及电路 一一 . 混频概述混频概述1.混频器的功能：混频器的功能：混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络有两个输入信号：有两个输入信号： 高频调制波高频调制波 )(ssfv本地振荡信号本地振荡信号 )(00fv一个中频输出信号：一个中频输出信号：)f(vII两个输入信号与输出信号之间的关系：两个输入信号与输出信号之间的关系： 的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率：的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率： sv输输入入信信号号Iv与与输输出出信信号

2、号s0Ifff 其中其中 输输出出高高中中频频输输出出低低中中频频ssIfffff007.4混频（变频）混频（变频）vo (f o)混频 器vs (f s)vI (f I)(1) 调幅调幅(DSB为例为例) v乘法器带通滤波器V DSBv o2maxo（2）检波）检波 v DSB乘法器低通滤波器v ovmax（3）混频）混频 v DSB= v s乘法器v o带通滤波器v II I=o o-S Sos调幅，检波与混频之间的频谱变换关系调幅，检波与混频之间的频谱变换关系：I I=o o-S S2max 混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱

3、线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实现所需的频谱线性两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实现所需的频谱线性搬移功能。搬移功能。 2max I I=o o-S S乘法器乘法器 带通滤带通滤 波器波器右图为混频器的一般结构框图。右图为混频器的一般结构框图。 如果设输入信号：如果设输入信号：已调波信号已调波信号 tcostcosVvsss tVv000cos 那么两信号的乘积项为：那么两信号的乘积项为： t )cos(t )cos(tcosVV21tcostcostcosVVvs0s00s0s0sI v ov s 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波

4、器 2. 混频器的基本工作原理：混频器的基本工作原理：ov oo-So+SvI 本振信号本振信号vSS如果带通滤波器的中心频率为如果带通滤波器的中心频率为 sI 0,带宽带宽 max2 B则经带通滤波器的输出为：则经带通滤波器的输出为： tcostcosVtcostcosVV21t )cos(tcosVV21vIII0ss00sI 可见输出中频信号的可见输出中频信号的 Iv包络形状没有变化，只是填充频率包络形状没有变化，只是填充频率由由 s 变化成变化成 Is 0vI因为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。声系数

5、影响大。 所以希望混频级的所以希望混频级的 越小越好。越小越好。 nF(1)变频增益：变频增益： 变频电压增益变频电压增益: sIvVVAc 输输入入高高频频电电压压振振幅幅输输出出中中频频电电压压振振幅幅变频功率增益变频功率增益 :SIPPPGC (2)噪声系数噪声系数: 功功率率比比输输出出端端中中频频信信号号的的噪噪声声功功率率比比输输入入端端高高频频信信号号的的噪噪声声 00nsnisinPPPPF3. 混频器的主要性能指标混频器的主要性能指标(3) 失真与干扰失真与干扰变频器的失真主要有变频器的失真主要有 :频率失真频率失真 非线性失真非线性失真(4)选择性选择性 在混频器中，由于各

6、种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号在混频器中，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，矩形系数趋近于近于1。1.晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路 利用上章所述的时变跨导电路，如右利用上章所述的时变跨导电路，如右图所示，可构成晶体管混频器。图所示，可构成晶体管混频器。 由于由于时变偏置电压时变偏置电压 )()(0tvVtvBBB 如果如果 sVV 0则集电极电流为则集电极电流为 )()()(0tvtgtiiscC 二二 混频电路混频电路VB（t）ic其

7、中其中 )(tg为时变跨导，受为时变跨导，受 tVtv000cos)( 的控制的控制,而输入信为而输入信为: tcostcosVvSSs 利用付里叶级数可将展开成利用付里叶级数可将展开成 :.3cos2coscos)(0302010 tgtgtggtg tcostcosV.t3cosgt2cosgtcosgg)t(iiss03020100cC 如果输出回路的谐振频率为如果输出回路的谐振频率为 )(0sI ，而，而 max2 B，则，则选出的中频电流选出的中频电流 CIi为：为： tcostcosItcostcosVgtcostcosVg21t )cos(tcosVg21iICIIscIs1s0

8、s1CI 其中其中 21ggc 称为变频跨导称为变频跨导 输输入入高高频频电电压压振振幅幅输输出出中中频频电电流流振振幅幅 sCIcVIg在数值上等于时变跨导在数值上等于时变跨导 的一半的一半 .1g另外，本振电压信号加入混频器的方式另外，本振电压信号加入混频器的方式 :基极注入：基极注入： 串联馈入方式串联馈入方式, 并联馈入方式并联馈入方式 射极注入射极注入 上图为典型的收音机自激式变上图为典型的收音机自激式变频电路频电路,是一个是一个把本振器与混频器两把本振器与混频器两部分合并在一起的变频电路部分合并在一起的变频电路 . 在电路中由于输出端中频回路对本振信号来说阻抗很小，相在电路中由于输

9、出端中频回路对本振信号来说阻抗很小，相当于短路，所以对本振信号来说：晶体管，当于短路，所以对本振信号来说：晶体管， 共同构成变压器互共同构成变压器互感耦合反馈振荡器。感耦合反馈振荡器。2rT2.晶体管混频器的电路举例晶体管混频器的电路举例tcos)t(V.t3cos32tcos221gR)t(v )t(SgRvss00dLsdLI 在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用 二极管平衡型混频器二极管平衡型混频器环形混频器环形混频器优点：优点：噪声低，电路简单，组合分量少。噪声低，电路简单，组合分量少。例例1.二极管平衡混频器二极管平衡混频器 设输入

10、信号设输入信号 ttVtvsss cos)()( (注注 tcosV)tcosm1(V)t(Vsss 或或） 本振信号本振信号 :tVtv000cos)( 若若 sVV 0则输出电压则输出电压 :3.二极管混频电路二极管混频电路如果输出中频滤波器的中心频率为如果输出中频滤波器的中心频率为 )(0sI max2 B谐振阻抗为谐振阻抗为 LR，则输出电压，则输出电压 tcos)t(Vtcos)t(vRg2t )cos()t(vRg2)t(vIIISLds0SLdI 而而环形混频器环形混频器的输出是平衡混频器输出的的输出是平衡混频器输出的2倍。且减少了输出信号频倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量

11、谱中组合频率分量,即减少了混频器所特有的组合频率干扰。即减少了混频器所特有的组合频率干扰。 svsv+vI-例例2MC1596相乘器组成的混频电路中，如果输出回路的谐振电阻为相乘器组成的混频电路中，如果输出回路的谐振电阻为 LR则输出电压则输出电压: )t(v )t(vVR2Rv0sTyLI 4.其它混频电路其它混频电路而而 tcosVvtcos)tcosm1(Vtcos)t(V)t(voo0sssss t )cos(t )cos()t (VVRV4RvvRV2Rvs0s0s0yTLs0yTLI 如果输出中频滤波器的中心频率为如果输出中频滤波器的中心频率为: )(0sI ， max2 B谐振阻

12、抗为谐振阻抗为 LR, 则输出电压则输出电压 Is0yTLs0s0yTLs0yTLIcos)t (VVRV4Rt )cos()t (VVRV4RvvRV2Rv 由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件的信号由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件的信号将含有许多频率成份将含有许多频率成份 sqfpf 0, (p,q=0,1, 2,3,.)vS（f S）v o（f o）v I（f I）v n（f n）非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器vL（ )sqfpf 0如果设输入信号为如果设输入信号为 )(ssfv,本振频率信号为本振频率信号为 )(00fv则通过则通过 非

13、线性元件的信号非线性元件的信号 s0Lqfpfv ，其中，其中 2 , 1 , 0, qp而而这这 些组合频率的信号中只要和中频频率些组合频率的信号中只要和中频频率 sIfff 0相同或接近，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。起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。 三三 混频器的干扰混频器的干扰一般混频器存在下列干扰：一般混频器存在下列干扰： (1)干扰哨声：接收的射频信号干扰哨声：接收的射频信号 )(ssfv与本振信号与本振

14、信号 )(00fv的自身组合干扰，即的自身组合干扰，即 BfqfpfIs210 BfI(2)副波道干扰：外来干扰信号副波道干扰：外来干扰信号 )f(vnn与本振信号与本振信号 )(00fv的组合频率产生的干扰的组合频率产生的干扰 BfqfpfIn210 (3)交叉调制干扰：有用信号交叉调制干扰：有用信号 )f(vss与干扰信号与干扰信号 )f(vnn混频产生的干扰。混频产生的干扰。 (4)互调干扰：指两个或多个信号同时作用在混频器互调干扰：指两个或多个信号同时作用在混频器输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。 (5)阻塞干扰阻塞干扰(6)倒易混频倒

15、易混频 设输入高频信号的载频为设输入高频信号的载频为 )(ssfv，本振信号，本振信号 )(00fv，则，则 经过混频器后产生的频率为经过混频器后产生的频率为 sqfpf 0，其中，其中 p,q=0,1,2,1.信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）如果中频如果中频 sIfff 0，则除，则除 sff 0的中频被选出外，还的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即有可能选出其它的组合频率：即 Is0I0sIs0fqfpffpfqffqfpf IsIsII0sfq1pfqpfq1)ff(qpfq1fqpf 所以有所以有 Isfpq1pfpq1pffI

16、s 其中其中 Isff称为称为变频比变频比。 显然显然当变频比一定时，并能找到对应的整数当变频比一定时，并能找到对应的整数p, q时，就会形成自身组时，就会形成自身组合干扰。合干扰。 例：调幅广播接收机的中频例：调幅广播接收机的中频 KzfI465 ，某电台发射频率，某电台发射频率 Kz931fs 当接收该电台广播时，接收机的本振频率当接收该电台广播时，接收机的本振频率 KzfffsI13960 由于变频比由于变频比 2465931 Isff可推算出：可推算出： 当当 1 p， 2 q，可得，可得 KHzffs4661396931220 由于组合频率与中频差由于组合频率与中频差 1KHz，经检

17、波后可产生，经检波后可产生1KHz的哨声的哨声.（三阶干扰）（三阶干扰）.另外，当另外，当 p=3,q=5时，可得：时，可得： KHzffs467350 ,也可也可以通过中频通道而形成干扰。（以通过中频通道而形成干扰。（8阶干扰）阶干扰）。 注意点注意点:(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。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：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，减少组合频率分量正确选择混频器的工作点，减少组合频率分量 采用合理

18、的电路形式，从电路上抵消一些组合频率，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。如平衡电路，环形电路，乘法器。 设串台干扰信号为设串台干扰信号为 )f(vnn，它与本振信号的组合频率为：，它与本振信号的组合频率为： nqfpf 0其中其中 p,q=0,1,2,3. 。如果选频器所选择的正常中频信号为。如果选频器所选择的正常中频信号为:2.外干扰信号与本振的组合频率干扰（外干扰信号与本振的组合频率干扰（副波道干扰副波道干扰）sIfff 0则可能形成的副波道干扰为：则可能形成的副波道干扰为： I0nIn0fpfqffqfpf IsInfppfqfpfqf)1(1

19、10 可见，可见，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：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，及其它副波道干扰中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰。 (1)中频干扰中频干扰当当 p=0 , q=1时，时， Inff 即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：抑制中频干扰的方法： 提高混频器前级的选择性提高混频器前级的选择性在混频器前级增

20、加中频吸收电路在混频器前级增加中频吸收电路 合理选择中频数值，合理选择中频数值，中频选在工作波段之外中频选在工作波段之外当当 p=1 , q=1时，则有：时，则有： )ff(fff)ff(fffs0I0ns0I0n或或f s f o f nf I虽然这种干虽然这种干扰信号频率扰信号频率 nf与输入信号频率与输入信号频率 sf以本振频率以本振频率 0f为对称轴形成镜像对称的关系。为对称轴形成镜像对称的关系。(2)镜像频率干扰镜像频率干扰f I抑制镜像干扰的方法：抑制镜像干扰的方法： 提高混频前级的选择性提高混频前级的选择性 提高中频频率，使镜像干扰频率提高中频频率，使镜像干扰频率 nf远离远离

21、sf例：中央台第一套节目的载波为例：中央台第一套节目的载波为 Kzfs639 , 那么收音机在接收此那么收音机在接收此节目时的本振频率节目时的本振频率 KzKzfffsI11044656390 ,如果有一外来如果有一外来 电台的频率电台的频率 Kz1569465Kz1104fffIOn ,在混频级之前没有被在混频级之前没有被 抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得 Kz465ff0n 的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰，产生串台及啸叫。的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰，产生串台及啸叫。 当当 1 p, 1q 时形，成组合频率干扰，其中最主要的

22、一类干扰为：时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为： f s f n1 f o f n2 2nIs1nIsIIsI0nff23fff21ffff221)ff2(21f可可见见 1nf与与 2nf对称分布在本振频率对称分布在本振频率 0f的两边，其中的两边，其中 1nf离离 sf最近最近,经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。 (3)组合频率干扰组合频率干扰2 qp的情况，则有：的情况，则有： 抑制这类干扰的方法：抑制这类干扰的方法： 提高混频器前级的选择性提高混频器前级的选择性提高中频提高中频 选择合适的混频电路，合理选择混频器的工作点选择合

23、适的混频电路，合理选择混频器的工作点 f I 交叉调制干扰的形成与本振无关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。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，由混频器的非线性作用，将作用于混频器时，由混频器的非线性作用，将干扰的调制信号调制到干扰的调制信号调制到了中频载波上，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。的一种干扰。 例：由非线性元件：例：由非线性元件： 2210vavaa)v( fi其中四阶项为其中四阶项为 44va，若设，若设 0vvvvns 而而 tcosVvtcos)tcosm1(V

24、vtcos)t (Vv000nnnnnsss 则则 40444)(vvvavans 展开后其中可分解出展开后其中可分解出 )vv(va60s2n4项项 3.交叉调制干扰（交调干扰）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：将信号代入此项，并经中频滤波后可得： tcos)tcosm1(VtcosVVV)tcosm21(a23InI0s2nnn4 其中其中 nsnmmVVVaV223024，可以看出，可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频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。载波上，与有用信号一同输出而形成干扰。 vS（f S）v I（f I）v n

25、（f n）非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器vL（ )sqfpf 0交调干扰的特点：交调干扰的特点： (2)与干扰的载频无关，任何频率的强干扰都可能形成交调干扰，所与干扰的载频无关，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。以交调干扰是危害较大的一种干扰。 只有当只有当 nf与与 sf相差很大，受前级电路的抑制很彻底时相差很大，受前级电路的抑制很彻底时, 形成的干扰较小。形成的干扰较小。 (1)交调干扰与有用信号并荐交调干扰与有用信号并荐，通过有用信号而作用，一旦有用信，通过有用信号而作用，一旦有用信号号 0 sv，交调干扰也消失。，交调干扰也消失。 (3)混

26、频器中，除了非线性特性的混频器中，除了非线性特性的4次方项以外，次方项以外，更更 高的偶次方项也可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。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：抑制交调干扰的措施： 提高前级电路的选择性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（选择合适的器件，合适的工作点，使不需要的非线性项（4次次方项）尽可能小，以减少组合分量。方项）尽可能小，以减少组合分量。 非线形非线形 元件元件 中频滤中频滤 波器波器Vn1（fn1）V o（fo）i oV I（fI）Vn2（fn2） 互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，由互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，由混频器的非线性作用，混频器的非线性作用，两个干扰信号之间产生混频两个干扰信号之间产生混频，当混频后，产生的，当混频后，产生的信号