高频电子电路5.3王卫东ppt课件

1、5.5 混频器原理及电路混频器原理及电路 5.5.1 混频器原理混频器原理 1. 混频器的变频作用混频器的变频作用 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本地振荡信号本地振荡信号 )(LLfu一个中频输出信号：一个中频输出信号：)(IIfu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： 的包络外形一样，频谱构造一样，只是填充频谱不同，即，其中心的包络外形一样，频谱构造一样，只是填充频谱不同，即，其中心频率：频率： su输输入入信信号号Iu与与输输出出信信号号cLIfff 其中其中 输输出出高高中中频频输输出出低低中

2、中频频cLcLIfffff5.5 混频器原理及电路混频器原理及电路 uc (fc)uL (fL)uI (fI)混频器混频器tuc (t)tuI (t)tuL (t)有两个输入信号：有两个输入信号： 高频调制波高频调制波 )(ccfufcfc+Ffc+Ffuc的频谱的频谱fcfLfuL的频谱的频谱fI fI+FfI+FfuI的频谱的频谱tuc (t)tuc (t)tuL (t)tuL (t)tuI (t)tuI (t) 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两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实现所需是获得两个输

3、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。的频谱线性搬移功能。 2max I = L - I = L - cc乘法器乘法器 带通滤带通滤 波器波器混频器的普通构造框图混频器的普通构造框图设输入已调波信号：设输入已调波信号： ttUuccc coscos tUucLL cos 那么两信号的乘积项为：那么两信号的乘积项为： tttUUtttUUucLcLLcLcLcI)cos()cos(cos21coscoscos 2. 混频器的根本任务原理：混频器的根本任务原理：L LuLL- cL- cL+ L+ ccuI 本振信号本振信号:uccc假设带通滤波器的中心频率为假设带通滤

4、波器的中心频率为 cLI ,带宽带宽 max2 B那么经带通滤波器的输出那么经带通滤波器的输出为：为： ttUttUUttUUuIILccLLcI coscoscoscos21)cos(cos21I uIucuL可见输出中频信号可见输出中频信号 的包络外形没有变化，只是填充频率的包络外形没有变化，只是填充频率Iu由由 c 变化成变化成 I cLuLuc 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波器(1) 调幅调幅(DSB为例为例) u乘法器带通滤波器uDSBuo2max o o2检波检波 uDSB乘法器低通滤波器uou max3混频混频 uDSB= uc乘法器uL带通滤波器uII=L-cI=

5、L-c L L c c3. 振幅调制、检波与混频器的相互关系振幅调制、检波与混频器的相互关系 I = L - I = L -CC2 max由于混频器常作为超外差接纳系统的前级，对接纳机整机的噪由于混频器常作为超外差接纳系统的前级，对接纳机整机的噪声系数影响大。声系数影响大。 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: sIuUUA 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 :cIPPGP (2)噪声系数噪声系数: 噪噪声声功功率率比比输输出出端端中中频频信信号号噪噪声声功功率

6、率比比输输入入端端高高频频信信号号/0 nInicnPPPPF5.5.2 混频器主要性能目的混频器主要性能目的 (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，由于各种缘由总会混入很多与中频频率接近的干在混频器中，由于各种缘由总会混入很多与中频频率接近的干扰信号扰信号, 为了抑制不需求的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择为了抑制不需求的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩形系数趋近于性，矩形系数趋近于1。ttUttgRtutSgRuccLLdLcdLI cos)(.3cos32cos221)()(

7、 高质量通讯设备中以及任务频率较高时，常运用高质量通讯设备中以及任务频率较高时，常运用 平衡型混频器平衡型混频器环形混频器环形混频器优点：噪声低，电路简单，组合分量少。优点：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 设输入信号设输入信号 ttUtuccc cos)()( 本振信号本振信号 :tUtuLLL cos)( 假设假设 cLUU 那么输出电压那么输出电压 :5.5.3 适用混频电路适用混频电路 假设输出中频滤波器的中心频率为假设输出中频滤波器的中心频率为: )(cLI max2 B谐振阻抗为谐振阻抗为 LR，那么输出电压，那么输出电压 ttUttURgtt

8、URgtuIIIcLdcLcLdI cos)(cos)(4)cos()(4)( 而环形混频器的输出是平衡混频器输出的而环形混频器的输出是平衡混频器输出的2倍。且减少了输出倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量信号频谱中组合频率分量,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。 +uI_+ uL -+uc-VD1VD22CRL2LT1T2+ uL -T3uc+-uc+-1. 二极管混频器二极管混频器 利用第利用第4章所述的时变跨导电路，章所述的时变跨导电路，可构成晶体管混频器。可构成晶体管混频器。 由于时变偏置电压由于时变偏置电压 )()(tuEtULBB 假设假设

9、cLUU 那么集电极电流那么集电极电流为为 )()()(tutgtiiccoC 2. 晶体三极管混频器晶体三极管混频器 其中其中 )(tg为时变跨导，受为时变跨导，受 tUtuLLL cos)( 的控制的控制,而输入信为而输入信为: ttUuccc coscos 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)(321 tgtgtggtgLLLo ttUtgtgtggtiiccLLLocoC coscos.3cos2coscos)(321 假设输出回路的谐振频率为假设输出回路的谐振频率为 )(cLI ，而，而 max2 B选出的中频电流选出的中频电流 CIi为：为

10、： ttIttUgttUgiIIccLc coscoscoscos21)cos(cos21CI11CI uc+-+-uLEBECVTCLUB(t)ic其中变频跨导：其中变频跨导： 1CI21gUIgCc 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变频变频( (混频混频) )增益增益AuAu为为 ：L1cIu21)()(RgtUtUA 中频输出电压中频输出电压uIuI为为 ：ttUttURguIIIcL1Icos)(cos)(21 双极型晶体三极管混频器根本电路的交流通道双极型晶体三极管混频器根本电路的交流通道 : :共射极混频电路共射极混频电路 ：本振信号由基极串联方式注

11、入：本振信号由基极串联方式注入 本振信号由射极注入本振信号由射极注入 共基极混频电路：共基极混频电路： (a)uc+-uL+-LCVT(d)uL+-uc+-LCVT(c)uc+-+-uLLCVT(b) LCuL+-uc+-VTCLEDRgRs FET混频器的转移特性是平方律，输出电流中的组合频率分量比混频器的转移特性是平方律，输出电流中的组合频率分量比BJT混频器少得多，故其互调失真低。混频器少得多，故其互调失真低。FET混频器允许的输入信号动混频器允许的输入信号动态范围也较大。因此，虽然态范围也较大。因此，虽然FET混频器的变频增益比混频器的变频增益比BJT混频器低，混频器低，却在短波、超短

12、波接纳机中获得了广泛运用。却在短波、超短波接纳机中获得了广泛运用。设输入已调制信号：设输入已调制信号：uc= uc= Uc(t)cosctUc(t)cosct 3 FET混频电路混频电路 uI右图为右图为FET混频器原理电路混频器原理电路其中，其中，Uc(t)= Uc(t)= Ucm(1+macost)Ucm(1+macost)本振电压本振电压uL=ULcos Lt uL=ULcos Lt LC回路调谐在中频回路调谐在中频I= L-c或或I= c-L，通频带通频带B=2，回路的谐振阻抗为，回路的谐振阻抗为RL 。栅栅源间的电压源间的电压uGSuGS为：为： uGS=UGSQ+uc-uL= UG

13、SQ+Uc(t)cos ct -ULcos Lt 转移特性为平方律关系，即转移特性为平方律关系，即 ：2)off(GSDSSD)1(GSUuIi 式中，式中，UGSUGSoffoff为为FETFET管的夹断电压，管的夹断电压，IDSSIDSS为漏极饱和电流为漏极饱和电流 。恒流区内的漏极电流为恒流区内的漏极电流为: : )cos()cos(2cos2cos)(coscos)()()(cLcL4L2Lc2c3LLcc22L2c1DSDttktUttUktUttUkUtUkIti ucuLuGSiD)(2GS(off)4tUUUIkcLDSS 式中，式中，k1k1、k2k2、k3k3、k4k4为常

14、数。可见，为常数。可见，iD(t)iD(t)中含有差频中含有差频(c-L)(c-L)电流分量，其幅值正比于电流分量，其幅值正比于Uc(t)Uc(t)为为: : 经过漏极经过漏极LCLC负载回路选频后，输出的中负载回路选频后，输出的中频电压为频电压为: : IL2GS(off)cLL4Icos)()cos(tURUUItRkucLDSS 6.8 kCEC=15V1413.3 k1294813313k10k27-EE=-15V-EE=-15V+15V5610 11-15V-15V10k10kRwxRwy2k2k8.2 k8.2 k BG314 (MC1595)LN1 N2 BG314构成的混频电路

15、构成的混频电路 ，假设本振电压，假设本振电压uL、高频信号电压、高频信号电压uc分分别从别从4、9脚输入，脚输入，BG314的输出端的输出端2、14脚间接脚间接LC谐振回路。谐振回路。设输入已调高频信号设输入已调高频信号: : 4. 模拟乘法器混频电路模拟乘法器混频电路 uLucuIuc= Uc(t)cos ct 本振电压本振电压:uL=ULcos Lt :uL=ULcos Lt LC回路的谐振频率回路的谐振频率I= L-c，其带宽，其带宽B2，回路谐振，回路谐振阻抗为阻抗为RP,，变压比为，变压比为n=N2N1，输出中频信号电压，输出中频信号电压uI为为: IIIcyxoxLPIcos)(c

16、os)(tUtURRIUnRu 混频增益混频增益AuAu为为 : :yxoxLPcIu)()(RRIUnRtUtUA 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 cLqfpf , (p , q=0,1, 2,3,.)uc(f c)uL(f L)uI(f I)un(f n)非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器uo( )cLqfpf 假设设输入信号为假设设输入信号为 )(ccfu,本振频率信号为本振频率信号为 )(LLfu那么经过那么经过 非线性元件的信号非线性元件的信号 cLoq

17、fpfu ，其中，其中 2 , 1 , 0, qp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 cLIfff 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。 三三 混频器的干扰混频器的干扰普通混频器存在以下干扰：普通混频器存在以下干扰： (1)干扰哨声：接纳的射频信号干扰哨声：接纳的射频信号 )(ccfu与本振信号与本振信号 )(LLfu的本身组合干扰，即的本

18、身组合干扰，即 BfqfpfcL21I B)(nnfu(2)副波道干扰：外来干扰信号副波道干扰：外来干扰信号 与本振信号与本振信号 )(LLfu的组合频率产生的干扰的组合频率产生的干扰 BfqfpfnL21I )(ccfu(3)交叉调制干扰：有用信号交叉调制干扰：有用信号 与干扰信号与干扰信号 )(nnfu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构成的干扰。输入端，经混频产生的组合分量而构成的干扰。 (5)阻塞干扰阻塞干扰(6)倒易混频倒易混频 fI1.信号与本振信号的本身组合干扰

19、干扰哨声信号与本振信号的本身组合干扰干扰哨声假设中频假设中频 cLIfff ，那么除，那么除 cLff 的中频被选出外，还的中频被选出外，还有能够选出其它的组合频率：即有能够选出其它的组合频率：即 IcLILcIcLfqfpffpfqffqfpf IcIcIILcfqpfqpfqffqpfqfqpf11)(1 所以有所以有 Icfpqpf1pqpffIc 1其中其中 Icff称为变频比。称为变频比。 显然当变频比一定时，并能找到对应的整数显然当变频比一定时，并能找到对应的整数p, q时，就会构本钱身组时，就会构本钱身组合干扰。合干扰。 例：调幅广播接纳机的中频例：调幅广播接纳机的中频 KzfI

20、465 ，某电台发射频率，某电台发射频率 Kzfc931 当接纳该电台广播时，接纳机的本振频率当接纳该电台广播时，接纳机的本振频率 KzfffcIL1396 由于变频比由于变频比 2465931 Icff可推算出：可推算出： 当当 1 p， 2 q，可得，可得 KHzffLc466139693122 设输入高频信号的载频为设输入高频信号的载频为 )(ccfu，本振信号，本振信号 )(LLfu，那么，那么 经过混频器后产生的频率为经过混频器后产生的频率为 ，其中，其中 p,q=0,1,2,cLqfpf 由于组合频率与中频差由于组合频率与中频差 1KHz，经检波后可产生，经检波后可产生1KHz的哨

21、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： KHzffLc46735 ,也可以经过中频也可以经过中频通道而构成干扰。通道而构成干扰。8阶干扰。阶干扰。 留意点留意点:(1)本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。本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 正确选择混频器的任务点，减少组合频率分量正确选择混频器的任务点，减少组合频率分量 采用合理的电路方式，从电路上抵消一些组合频率，采用合理的

22、电路方式，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 )(nnfu，它与本振信号的组合频率为：，它与本振信号的组合频率为： nLqfpf 其中其中 p, q=0,1,2,3. 。假设选频器所选择的正常中频信号为。假设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副波道干扰外干扰信号与本振的组合频率干扰副波道干扰cLIfff 那么能够构成的副波道干扰为：那么能够构成的副波道干扰为： ILnInLfpfqffqfpf IcILnfppfqfpfqf)1(11 可见，凡是能满足上式的串台信号都能够构成干

23、扰，在这类干扰中主要有：可见，凡是能满足上式的串台信号都能够构成干扰，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 即阐明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器，可以直接经过混即阐明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器，可以直接经过混频器进入中放电路，并被放大、解调后在输出端构成干扰频器进入中放电路，并被放大、解调后在输出端构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添加中频吸收电路在混频器前级添加中频吸收电路 合

24、理选择中频数值，中频选在任务波段之外合理选择中频数值，中频选在任务波段之外当当 p=1 , q=1时，那么有：时，那么有： )()(cLILncLILnffffffffff或或f c f L f nf I虽然这种干扰信号频率虽然这种干扰信号频率 nf与输入信号频率与输入信号频率 cf以本振频率以本振频率 Lf为对称轴构成镜像对称的关系。为对称轴构成镜像对称的关系。(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 sf例：中央台第一套节目的载波为例：中央台

25、第一套节目的载波为 Kzfc639 , 那么收音机在接纳此那么收音机在接纳此节目时的本振频率节目时的本振频率 KzKzfffcL1104465639I ,假设有一外来假设有一外来 电台的频率电台的频率 KzKzfffL ,在混频级之前没有被在混频级之前没有被 抑制，那么这个电台进入混频器后，混频可得抑制，那么这个电台进入混频器后，混频可得 KzffLn465 的中频将被选出进入后级输出而构成镜像干扰，产生串台及啸叫。的中频将被选出进入后级输出而构成镜像干扰，产生串台及啸叫。 当当 1 p, 1q 时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为：时形，成组合频率干扰，其中

26、最主要的一类干扰为： f c f n1 f L f n2 212321221)2(21nIcnIcIIcILnffffffffffff可见可见 1nf与与 2nf对称分布在本振频率对称分布在本振频率 Lf的两边，其中的两边，其中 1nf离离 cf最近最近,经混频器前的滤波后进入混频器的能够性最大。经混频器前的滤波后进入混频器的能够性最大。 (3)组合频率干扰组合频率干扰2 qp的情况，那么有：的情况，那么有： 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 选择适宜的混频电路，合理选择混频器的任务点选择适宜的混频电路，合理选择混频器的任务

27、点 f I 交叉调制干扰的构成与本振无关。它是有用信号与干扰信号一交叉调制干扰的构成与本振无关。它是有用信号与干扰信号一同作用于混频器时，由混频器的非线性作用，将干扰的调制信号调同作用于混频器时，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构成的一种干扰。而构成的一种干扰。 例：由非线性元件：例：由非线性元件： 2210)(uauaaufi其中四阶项为其中四阶项为 44ua，假设设，假设设 Lncuuuu 而而 tUuttmUuttUuLLLnnnnnccc coscos)cos1

28、(cos)(那么那么 4444)(Lncuuuaua 展开后其中可分解出展开后其中可分解出 )(624Lcnuuua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： ttmUtUUUtmaInILcnnn cos)cos1(cos)cos21(2324 其中其中 nLcnmmUUUaU22324，可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频，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构成干扰。载波上，与有用信号一同输出而构成干扰。 uc(f c)uL(f L)uI(f I)un(f n)非线形元件非线形

29、元件中频滤波器中频滤波器uo( )cLqfpf 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能够构成交调干扰，与干扰的载频无关，任何频率的强干扰都能够构成交调干扰，所以交调干扰是危害较大的一种干扰。所以交调干扰是危害较大的一种干扰。 只需当只需当 nf与与 Cf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, 构成的干扰较小。构成的干扰较小。 0 cu(1)交调干扰与有用信号并存，经过有用信号而作用，一旦交调干扰与有用信号并存，经过有用信号而作用，一旦有用信号有用信号 ，交调干扰也消逝。，交调干扰也消逝。 (3)混频器中，除了非线性特性的混

30、频器中，除了非线性特性的4次方项以外，更次方项以外，更 高的偶次方高的偶次方项也可以产生交调干扰，但普通由于幅值较小，可以不思索。项也可以产生交调干扰，但普通由于幅值较小，可以不思索。 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适宜的器件，适宜的任务点，使不需求的非线性项选择适宜的器件，适宜的任务点，使不需求的非线性项4次方项尽能够小，以减少组合分量。次方项尽能够小，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un1fn1uLfoi ouIfIun2fn2 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

31、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，两个干扰信号之间产生混频，当混频后，产生的混频器的非线性作用，两个干扰信号之间产生混频，当混频后，产生的信号接近于有用信号的频率信号接近于有用信号的频率 时，将与有用信号一同进入后级电路输时，将与有用信号一同进入后级电路输出而产生干扰。出而产生干扰。 cf4.互调干扰互调干扰互调干扰的特点：设混频器输入的两个干扰为：互调干扰的特点：设混频器输入的两个干扰为： tUutUunnnnnn222111coscos 而本振信号而本振信号 tUuLLL cos 那么三个信号同时作用于非线元件上，那么混频输出的电那么三个信号同时作用于非线元件上

32、，那么混频输出的电流为流为: .22100 uauaai由由4次方项次方项 4021444)(uuuauann 中展开可得中展开可得 Lnnuuu221项，项， 即：即： tttUUUtUtUtULnnLnnLLnnnn coscos)2cos1(21coscoscos21221221221 其中有：其中有： LnnLnnttUUU coscos2cos2121221 其组合频率为：其组合频率为： LnnLnnfff 212122或或 假设当假设当 ILnncnncnn 212121222构成互调干扰构成互调干扰. 留意：留意： IcL 讨论：讨论：(1)当当 cnn 212时，时， 1n 或或 2n 必有一个远离必有一个远离 c 容易被滤除，能够产生的干扰不严重。容易被滤除，能够产生的干扰不严重。(2)当当 cnn 212时，时， 1n 或或 2n 均能够离均能够离 c 较近较近, 滤除比较困难，能够会产生比较严重的干扰。即由于滤除比较困难，能够会产生比较严重的干扰。即由于121ncnn 可见，两个干扰频率都小于或大于任务信号频率，且三者等距时，可见，两个干扰频率都小于或大于任务信号频率，且三者等距时，就可构成互调干扰。就可构成互调干扰。 n2