高频电子电路55

1、5.5 混频器原理及电路混频器原理及电路 下一页下一页返回返回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 uc (fc)uI (fI)混频器混频器 它有两个输入信号它有两个输入信号超外差式接收机超外差式接收机的灵敏度和选择性等性能指标明显优于直接的灵敏度和选择性等性能指标明显优于直接放大式接收机。而混频器是超外差式接收机的重要组成部分。放大式接收机。而混频器是超外差式接收机的重要组成部分。 混频器的作用：将载频为混频器的作用：将载频为 的已调波不失真地变换为载频为的已调波不失真地变换为载频为 的的已调波。它属于已调波。它属

2、于频谱的线性搬移电路频谱的线性搬移电路，是一个三端口的网络。，是一个三端口的网络。cfIftuc (t)tuI (t)tuL (t)fcfc+Ffc+Ffuc的频谱的频谱fIfI+FfI+FfuI的频谱的频谱tuc (t)tuc (t)tuL (t)tuL (t)tuI (t)tuI (t)()ccuf高频已调波高频已调波uL (fL)本地振荡信号本地振荡信号()LLuf一个中频输出信号：一个中频输出信号：()IIuffcfLfuL的频谱的频谱LcILcfffff（下变频，输出低中频）（下变频，输出低中频）（上变频，输出高中频）（上变频，输出高中频）AM广播：广播：465kHzIf FM广播：

3、广播：10.7MHzIf 电视接收：电视接收：38MHzIf 微波接收：微波接收：70MHzIf 输入、输出信号间的关系：输入、输出信号间的关系： 的的包络形状相同包络形状相同，频谱结构相同频谱结构相同，只是填充频率不同只是填充频率不同，其中，其中 。 ,cIu uILcfff2.混频器的工作原理混频器的工作原理 混频器属于频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的混频器属于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关键是获得两个输入信号的乘积项乘积项。 （1）原理框图）原理框图2max I= L- c乘法器乘法器 带通带通滤波器滤波器uIucuLuLuc 非线性非线性

4、 元件元件 带通带通滤波器滤波器仿真仿真（2）工作原理）工作原理设输入已调波信号：设输入已调波信号： 本振信号：本振信号：cosLLLuUt则两信号的乘积为：则两信号的乘积为：coscoscos1coscos()cos()2IcLcLcLLcLcuU UtttU UtttLuLL- cL+ cuIucc若带通滤波器的中心频率为若带通滤波器的中心频率为 , ,带宽带宽 ()ILcmax2B 则经带通滤波器的输出为则经带通滤波器的输出为：1coscos()2IcLLcuU UttI1coscos2coscoscLIIU UttUttcoscoscccuUtt【结论】输出的中频信号的【结论】输出的中

5、频信号的包络形状没有变化包络形状没有变化，只是填充频率只是填充频率由由 变变成成 。cILc二极管混频器二极管混频器三极管混频器三极管混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器按所用器件分按所用器件分（3）分类）分类3. 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（1） 调幅（以调幅（以DSB为例）为例） u乘法器乘法器带通滤波器带通滤波器uDSBuo2max o（2）乘积型同步检波）乘积型同步检波 uDSB乘法器乘法器低通滤波器低通滤波器uou max（3）混频）混频 （以（以DSB为例）为例） uc乘法器乘法器uL带通滤波器带通滤波器uII=L-c L c I=L-C2

6、max仿真仿真1仿真仿真2仿真仿真35.5.2 混频器的主要性能指标混频器的主要性能指标1.变频增益变频增益（1）变频电压增益）变频电压增益2.噪声系数噪声系数3. 失真与干扰失真与干扰 变频器的失真主要有：频率失真和非线性失真。变频器的失真主要有：频率失真和非线性失真。4. 选择性选择性 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，矩形系数趋近于择性，矩形系数趋近于1 1。输出中频电压振幅输出中频电压振幅

7、IucUAU输入信号电压振幅输入信号电压振幅（2）变频功率增益）变频功率增益输出中频信号功率输出中频信号功率输入高频信号振幅输入高频信号振幅IpcPGP 因为混频器常作为超外差式接收机的前级，其噪声电平高因为混频器常作为超外差式接收机的前级，其噪声电平高低对整机有较大影响。所以希望混频器的低对整机有较大影响。所以希望混频器的 越小越好。越小越好。 FN10logcinFIonP PNP P5.5.3 实用的混频电路实用的混频电路 在高质量通信设备中及工作频率较高时，常使用在高质量通信设备中及工作频率较高时，常使用二极管平衡混二极管平衡混频器频器和和环形混频器环形混频器，其优点是：，其优点是：噪

8、声低噪声低、电路简单电路简单、组合分量少组合分量少。（1）二极管平衡混频器）二极管平衡混频器 +uI_+ uL - -+uc- -VD1VD2C/2RL2LT1T2+ uL - -T3uc+- -uc+- -1. 二极管混频器二极管混频器 电路结构电路结构 电路结构与二极管平衡调幅电路结构电路结构与二极管平衡调幅电路结构类似，区别在于：输入信号形式不同，类似，区别在于：输入信号形式不同，负载回路的谐振频率不同。负载回路的谐振频率不同。工作原理分析工作原理分析 设输入的已调信号为设输入的已调信号为 ，其，其中中 为已调信号的包络。本振信号为为已调信号的包络。本振信号为 ，且，且 ，则，则( )c

9、oscccuUtt( )cU tcosLLLuUtLcUU1:2 1:1 2:1 开关函数分析法开关函数分析法122( )coscos3.( )cos23ILdcLdLLccuZ g S t uZ gttU tt 若负载回路谐振在若负载回路谐振在 处，且带宽处，且带宽 ；谐振阻抗为；谐振阻抗为 ，则输出电压为：，则输出电压为： 2LLZRmax2B ILcfff2( )cos( )cosILdocIIIuR g U ttU tt仿真仿真（2）二极管环形混频器）二极管环形混频器 电路结构电路结构 电路结构与二极管环形调幅电电路结构与二极管环形调幅电路结构类似。路结构类似。工作原理分析工作原理分析

10、 设输入已调信号为设输入已调信号为 ，其中其中 为已调信号的包络。本振信为已调信号的包络。本振信号号 ，且，且 ，则，则( )coscccuUtt( )cU tcosLLLuUtLcUU 若负载回路谐振在若负载回路谐振在 处，且带宽处，且带宽 ；谐振阻抗为；谐振阻抗为 ，则输出电压为：，则输出电压为： 2LLZRmax2B ILcfff仿真仿真VD1VD32C2LRLT2VD4VD2T3T1+uI- -u+- -u+- -u+- -+ - -uc+ - -uc1:2 2:1 1:144( )coscos3.( )cos3ILdcLdLLccuZ g S t uZ gttUtt4( )cos(

11、)cosILdocIIIuR g U ttU tt【结论】二极管环形混频器输出是二极管平衡混频器输出的【结论】二极管环形混频器输出是二极管平衡混频器输出的2倍；倍；且组合分量少，减少了组合频率的干扰。且组合分量少，减少了组合频率的干扰。2. 三极管混频器三极管混频器 三极管混频器的主要优点是：三极管混频器的主要优点是：具有大于具有大于1的变频增益的变频增益。它分为：。它分为： BJT混频器：对本振电压功率要求高，因为互调失真较高；混频器：对本振电压功率要求高，因为互调失真较高； FET混频器：互调失真小且容许的输入信号动态范围较大。混频器：互调失真小且容许的输入信号动态范围较大。 （1）BJT

12、混频器混频器三极管混频器基本电路的交流通道三极管混频器基本电路的交流通道如下图所示。如下图所示。 共发射极共发射极混频电混频电路路：本振信号由基本振信号由基极极串联方式串联方式注入或注入或由射极注入，如图由射极注入，如图（a）、（）、（b）。在）。在广播电视接收机中广播电视接收机中应用较多。应用较多。 共基极共基极混频电路：混频电路：适用于工作频率较高适用于工作频率较高的的FM接收机，要求接收机，要求注入的本振功率大。注入的本振功率大。 (a)uc+- -uL+- -LCVT(d)uL+- -uc+- -LCVT(c)uc+- -+- -uLLCVT(b) LCuL+- -uc+- -VT 若

13、集电极回路谐振在若集电极回路谐振在 处，且带宽处，且带宽 ，则选出的中，则选出的中频输出电流为：频输出电流为： max2B ILcfff1111( )cos()( )cos( )cos22cIcLccIIIigU ttgU ttI tt变频增益为变频增益为1( )1cos( )2IuLIcUtAg RtUt电路结构电路结构 uc+- -+- -uLEBECVTCLUB(t)ic线性时变电路分析法线性时变电路分析法工作原理分析工作原理分析 设输入已调信号为设输入已调信号为 ，其中其中 为已调信号的包络。本振信为已调信号的包络。本振信号号 ，且，且 ，则，则BJT工工作于线性时变状态，其时变偏压为

14、作于线性时变状态，其时变偏压为 ，其集电极电流为，其集电极电流为( )coscccuUtt( )cU tcosLLLuUtLcUU( )BBLUtEu( )( )ccociItg t u其中其中 为时变跨导，受为时变跨导，受 的控制。利用傅立叶级数展开：的控制。利用傅立叶级数展开：( )g tcosLLLuUt12( )coscos2.cococmLcmLItIItIt12( )coscos2.oLLg tggtgt因此有因此有 1212(coscos2.)(coscos2.)( )cosccocmLcmLoLLcciIItItggtgtU ttCLEDRgRs FET混频器的转移特性是平方律

15、，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混频器容许的输入信号动混频器容许的输入信号动态范围也较大。因此，尽管态范围也较大。因此，尽管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、超短波接收机中获得了广泛应用。却在短波、超短波接收机中获得了广泛应用。设输入已调制信号：设输入已调制信号：uc= Uc(t)cosct（2） 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)= Ucm(1+macost)本振电压本

16、振电压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uGS为：为： uGS=UGSQ+uc-uL= UGSQ+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，UGS（off）为为FET管的夹断电压，管的夹断电压，IDSS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)()()(cLcL4L2

17、Lc2c3LLcc22L2c1DSDttktUttUktUttUkUtUkIti ucuLuGSiD)(2GS(off)4tUUUIkcLDSS 式中，式中，k1、k2、k3、k4为常数。可见，为常数。可见，iD(t)中含有差频中含有差频(c-L)电流分电流分量，其幅值正比于量，其幅值正比于Uc(t)为为: 通过漏极通过漏极LC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 上一页上一页下一页下一页返回返回4. 模拟乘法器混频电路模拟乘法器混频电路 6.8 kCEC=15V1413.3 k12

18、94813313k10k27-EE=-15V+15V5610 11-15V10k10kRwxRwy2k2k8.2 k8.2 k BG314 (MC1595)LN1N2uLucuI混频增益混频增益Au为：为：仿真仿真 模拟相乘器实现混频是最直观的方法。其优点是：输出电流频模拟相乘器实现混频是最直观的方法。其优点是：输出电流频谱较纯净，减少了系统对接收机的干扰，所允许的输入信号的线性谱较纯净，减少了系统对接收机的干扰，所允许的输入信号的线性动态范围较大，利于减少交调、互调失真；本振电压的大小不会引动态范围较大，利于减少交调、互调失真；本振电压的大小不会引起信号失真，因此对其大小无严格限制。起信号失

19、真，因此对其大小无严格限制。 本振电压本振电压uL、高频信号电压、高频信号电压uc分别从分别从4、9脚输入，脚输入，BG314的输的输出端出端2、14脚间接脚间接LC谐振回路。谐振回路。 右图为右图为BG314构成的混频器。构成的混频器。 设输入已调信号为设输入已调信号为 ，其中其中 为已调信号的包络。本为已调信号的包络。本振信号振信号 ，且，且 。LC回路的谐振频率为回路的谐振频率为 ，且带宽且带宽 ，回路谐振阻抗为，回路谐振阻抗为 ，匝数比为，匝数比为n，则输出中频电压：，则输出中频电压：( )coscccuUtt( )cUtcosLLLuUtLcUUmax2B ILcfffpR( )co

20、s( )cosPLIcIIIoxxynR UuUtUtI R RIPLucoxxy( )( )U tnR UAU tI R R5.5.4 混频器的干扰混频器的干扰uc(f c)uL(f L)uI(f I)un(f n)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器BfI 混频器的一般原理框图如图所示。混频器的一般原理框图如图所示。 设混频器的输入信号为设混频器的输入信号为 ，外来干扰为，外来干扰为 ，本振为，本振为 ，则通过非线性元件变频后的组合频率信号为则通过非线性元件变频后的组合频率信号为 以及以及 （ ）。）。()ccuf()nnuf()LLuf1u2u()Lcpfqf()Lnpfqf, p

21、qN2()Lnupfqf1()Lcupfqf 这些组合频率只要与中频频率这些组合频率只要与中频频率 相同或接近，都会与有相同或接近，都会与有用信号一起被中频滤波器选出，并送到后级中放，经放大后解调输用信号一起被中频滤波器选出，并送到后级中放，经放大后解调输出，从而引起串音、啸叫等各种干扰，影响有用信号的正常工作。出，从而引起串音、啸叫等各种干扰，影响有用信号的正常工作。ILcfff 一般混频器存在下列干扰：一般混频器存在下列干扰： 自身组合干扰；自身组合干扰；副波道干扰（或寄生通道干扰）；副波道干扰（或寄生通道干扰）；互调干扰；互调干扰；交调干扰；交调干扰；阻塞干扰；阻塞干扰；倒易混频干扰。倒

22、易混频干扰。1.干扰哨声（又称自身组合干扰）干扰哨声（又称自身组合干扰） 设混频器输入的已调波及本振分别为设混频器输入的已调波及本振分别为 、 ，则混频后产生，则混频后产生的组合频率分量为的组合频率分量为 （ 及及0）。若中频滤波器的中心）。若中频滤波器的中心频率为频率为 ，则选出来的中频有：，则选出来的中频有： 、 以及以及 ，即，即()ccuf()LLuf()Lcpfqf, p qNILcfffLcIfffLcIpfqffcLIqfpff有用信号有用信号 干扰信号干扰信号 LcIpfqff 由此可见，能产生中频组合分量干扰的信号频率、本振频率与中由此可见，能产生中频组合分量干扰的信号频率、

23、本振频率与中频频率间存在下列关系：频频率间存在下列关系： 111()cLIIcIcIppppffffffffqqqqqq即即1cIpffqp1cIfpfqp（ 称为变频比）称为变频比） cIff显然，当变频比一定并能找到对应的整数显然，当变频比一定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。减少这种干扰的方法：减少这种干扰的方法：正确选择中频数值；正确选择中频数值；正确选择混频器工作点、工作状态，减少组合频率分量；正确选择混频器工作点、工作状态，减少组合频率分量；采用合理电路形式，如平衡电路、环形电路、乘法器等。采用合理电路形式，如平衡电路、环形电路、乘法器等。(

24、)ccuf（ 与与 ） ()LLuf【例】【例】 ， ，可能会出现什么干扰哨声？，可能会出现什么干扰哨声？ 465kHzIf 931kHzcf 解：解：931 4652cIff 1396kHzLcIfff即即12pqpp=1，q=2（3阶）阶）查表查表5.2得得 ；1,2pq3,5pq113962 931466(kHz)Lcfpfqf 会出现会出现1kHz哨声哨声p=3，q=5（8阶）阶）会出现会出现2kHz哨声哨声23 13965 931467(kHz)Lcfpfqf 2.副波道干扰副波道干扰 它是指外来干扰与本振由于混频器的非线性而形成的它是指外来干扰与本振由于混频器的非线性而形成的假中频

25、假中频。 设串台干扰信号为设串台干扰信号为 ，它与本振，它与本振 的组合频率为的组合频率为（ 及及0）。若带通滤波器的中心频率）。若带通滤波器的中心频率 ，则可能形成，则可能形成的副波道干扰为：的副波道干扰为：()nnuf()LLuf, p qNILcfffLnpfqfLnIpfqffnLIqfpff 11()(1)nLIcIfpffpfpfqq（1）中频干扰中频干扰 （1阶干扰）阶干扰） ()nIff抑制中频干扰的方法：抑制中频干扰的方法： 提高混频器前级电路的选择性，如在前级加中频陷波电路；提高混频器前级电路的选择性，如在前级加中频陷波电路；合理选择中频数值，如高中频。合理选择中频数值，如

26、高中频。抑制镜像干扰的方法：抑制镜像干扰的方法： 提高混频器前级电路的选择性；提高混频器前级电路的选择性；（2）镜像干扰镜像干扰 （2阶干扰）阶干扰） ()nLIfff这种干扰这种干扰 与与 以以 为对称轴形为对称轴形成镜像关系。成镜像关系。nfcfLf提高中频频率使提高中频频率使 远离远离 ，如选高中频。，如选高中频。nfcf（p=0，q=1） （p=1，q=1） f c f L f nf If I（ 与与 ） ()LLuf()nnuf 交叉调制（简称交调）干扰的形成与本振无关交叉调制（简称交调）干扰的形成与本振无关。它是有用信号与。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，由于混频器的非线

27、性作用，将干扰信号一起作用于混频器时，由于混频器的非线性作用，将干扰干扰的调制信号调制到了中频载波上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，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。信号的载波上而形成的一种干扰。 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，若设，若设 Lncuuuu 而而 tUuttmUuttUuLLLnnnnnccc coscos)cos1(cos)(则则 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

28、）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可以看出可以看出干扰信号中的调制信号转移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到中频载波上，与有用信号一同输出而形成干扰而形成干扰。 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。干扰，所以交调干扰是危害较大的一种干扰。

29、只有当只有当 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, 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，通过有用信号而作用，一旦有用信号旦有用信号 0 cu，交调干扰也消失。，交调干扰也消失。 （3）混频器中，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。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。 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。上一页上一页下一页下一页返回返回 非线形非线形 元件元件 中频滤中频滤 波器波器un1（fn1）uL（fo）i ouI（fI）un2（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