高频第4章非线性电路、时变参量电路和变频器

1、1第4章非线性电路、时变参量电路和变频器非线性电路、时变参量电路和变频器 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 非线性元件的特性非线性元件的特性 4.3 4.3 非线性电路分析法非线性电路分析法 4.4 4.4 线性时变参量电路分析法线性时变参量电路分析法 4.5 4.5 变频器的工作原理变频器的工作原理 4.6 4.6 晶体管混频器晶体管混频器4.7 4.7 二极管混频器二极管混频器 4.8 4.8 差分对模拟乘法器混频电路差分对模拟乘法器混频电路 4.9 4.9 混频器的干扰混频器的干扰 4.10 4.10 外部干扰外部干扰 Next高频电子线路高频电子线路High Frequency

2、 Circuit思考题与习题思考题与习题4.1 概述 无线电无线电元元 件件线性元件线性元件时变参量元件时变参量元件非线性元件非线性元件元件参数与通过元件的电流元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压无关。或施于其上的电压无关。元件参数与通过元件的电流元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压有关。或施于其上的电压有关。元件参数按照一定规律随时元件参数按照一定规律随时间变化。间变化。严格地讲，一切实际的元件都是非线性的，但在一严格地讲，一切实际的元件都是非线性的，但在一定条件下，元件的非线性特性可以忽略不计，则可定条件下，元件的非线性特性可以忽略不计，则可将该元件近似地看成是线性元件。将该元件近

3、似地看成是线性元件。4.1 概述 在无线电工程技术中，较多的场合并不用解非在无线电工程技术中，较多的场合并不用解非线性微分方程的方法来分析非线性电路，而是线性微分方程的方法来分析非线性电路，而是采用工程上适用的一些近似分析方法。这些方采用工程上适用的一些近似分析方法。这些方法大致分为法大致分为图解法图解法和和解析法解析法两类。所谓图解法，两类。所谓图解法，就是根据非线性元件的特性曲线和输入信号波就是根据非线性元件的特性曲线和输入信号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形。所谓解析法，就是借助于非线性元件特性形。所谓解析法，就是借助于非线性元件特性曲

4、线的数学表示式列出电路方程，从而解得电曲线的数学表示式列出电路方程，从而解得电路中的电流和电压。路中的电流和电压。 4.2 非线性元件的特性 Q1RQ1r00QIVRivrddQ1. 非线性器件的工作特性非线性器件的工作特性+- -vi+- -vi4.2 非线性元件的特性 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线性电阻上的电压线性电阻上的电压与电流波形与电流波形正弦电压作用于二极管正弦电压作用于二极管产生非正弦周期电流产生非正弦周期电流+- -vi+- -vi4.2 非线性元件的特性 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当该元件上加有两个正弦电压当该元件上加有

5、两个正弦电压v1和和v2时时tVtVvvv22m11m21sinsin 直流分量；直流分量； 谐波分量：谐波分量：212,2组合频率分量：组合频率分量：结论：结论：“非线性非线性”具有具有频率变换频率变换作用。作用。设非线性电阻的伏安特性曲线具有抛物线形状，即设非线性电阻的伏安特性曲线具有抛物线形状，即 2kvi 21,21tVktVktVkVtVkVVVki222m121m212m1m212m1m22m21m2cos22cos2coscos2频率频率成分成分4.2 非线性元件的特性 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结论：结论：非线性电路非线性电路不满足叠加原理不满足叠加

6、原理。设：设：tVtV22m11m2sinsin1v上式电压作用于线性电阻时，可得上式电压作用于线性电阻时，可得tRVtRVRRi22m11m21sinsin对于非线性电路来说有对于非线性电路来说有tVtkVkk2221222221sinsin2m1mittVkVtVtkVmm2121222122sinsin2sinsin2m1mi根据叠加原理得根据叠加原理得)(vfi 若21vvv )()(21vfvfi而4.3 非线性电路分析法 1. 幂级数分析法幂级数分析法(power series method)常用的非线性元件的特性曲线可表示为常用的非线性元件的特性曲线可表示为式中式中a0，a1，

7、a2， 为各次方项的系数，它们由下列通式表示为各次方项的系数，它们由下列通式表示)(vfi i = a0+a1v +a2v2 + a3v3 + )(!1d)(d!1)(nQQnVnnVfnfnavvv上述特性曲线可用幂级数表示为上述特性曲线可用幂级数表示为4.3 非线性电路分析法 1. 幂级数分析法幂级数分析法(power series method)式中式中b0，b1，b2， 为各次方项的系数，它们由下列通式表示为各次方项的系数，它们由下列通式表示也可将也可将 在静态工作点在静态工作点V0 附近展开为幂级数附近展开为幂级数)(vfi i = b0+b1(v-V0) +b2(v-V0)2 +

8、b3(v-V0)3 + )(!1d)(d!10)(n0VfnfnanVnnvvv实际运用中常常只取级数的若干项就够了。实际运用中常常只取级数的若干项就够了。4.3 非线性电路分析法 tVtVVvvv22m11m021coscos1. 幂级数分析法幂级数分析法(power series method)i = b0+b1(v-V0) +b2(v-V0)2 + b3(v-V0)3 + 所加电压为所加电压为tVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVbtVbtVbtVbtVVbVbVbtVVbVbVbVbVbbi2122m1m32122m1m3212m21m3212m21m3212m1m221

9、2m1m2232m3131m3222m2121m222m21m332m32m1122m1m331m31m122m221m202cos432cos432cos432cos43coscos3cos413cos412cos212cos21cos2343cos23432121基波基波分量分量谐波谐波分量分量4.3 非线性电路分析法 tVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVbtVbtVbtVbtVVbVbVbtVVbVbVbVbVbbi2122m1m32122m1m3212m21m3212m21m3212m1m2212m1m2232m3131m3222m2121m222m21m332m32m

10、1122m1m331m31m122m221m202cos432cos432cos432cos43coscos3cos413cos412cos212cos21cos2343cos23432121直流直流分量分量组合频率组合频率分分 量量设幂多项式最高次数等于设幂多项式最高次数等于n，则电流谐波次数则电流谐波次数不超过不超过n，若组合频率分量表示为若组合频率分量表示为 p 1 q 2 ，返回1返回2返回3则有则有 p+q n上式说明了电流上式说明了电流 i 中所包含的全部频谱成份。根据这个结果，中所包含的全部频谱成份。根据这个结果，可以看出如下规律：可以看出如下规律：由于特性曲线的非线性，输出电流

11、中产生了输入电压中不曾由于特性曲线的非线性，输出电流中产生了输入电压中不曾有的新的频率成份：输入频率的谐波有的新的频率成份：输入频率的谐波 和和 ， 输入频率及其谐波所形成的各种组合频率：输入频率及其谐波所形成的各种组合频率：1222；和21332121212121212 ,2 ,2,2,由于表示特性曲线的幂多项式最高次数等于三，所以，电流由于表示特性曲线的幂多项式最高次数等于三，所以，电流中最高谐波次数不超过三，各组合频率系数之和最高也不超中最高谐波次数不超过三，各组合频率系数之和最高也不超过三。一般情况下，设幂多项式最高次数等于过三。一般情况下，设幂多项式最高次数等于 n，则电流中，则电流

12、中最高谐波次数不超过最高谐波次数不超过 n ；若组合频率表示为：若组合频率表示为：21qp则有：则有：nqp表示式表示式4.3 非线性电路分析法 电流中的直流成分，偶次谐波以及系数之和（即电流中的直流成分，偶次谐波以及系数之和（即p+q）为偶数）为偶数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的偶次项系数（包的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的偶次项系数（包括常数项）有关，而与奇次项系数无关；类似地，奇次谐波以括常数项）有关，而与奇次项系数无关；类似地，奇次谐波以及系数之和为奇数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数及系数之和为奇数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的奇次项系数有关，而与偶

13、次项系数无关。如在上式中，的奇次项系数有关，而与偶次项系数无关。如在上式中，基波基波振幅均与振幅均与 有关，而与有关，而与 无关，无关，三次谐波及组合频率三次谐波及组合频率，的振幅均只与的振幅均只与 有关，而与有关，而与 无关；而无关；而直流成分直流成分均只与均只与 有关，而与有关，而与 无关；无关；二次谐波以及组合频率二次谐波以及组合频率 的振幅均只与的振幅均只与 有关，而与有关，而与 无关。无关。212121212 ,2 ,2,22121,表示式表示式3b2b4.3 非线性电路分析法 20bb、31bb、31bb、31bb、20bb、20bb、4.3 非线性电路分析法 0)(22m221m

14、20VVbb222m222Vb212m22m1343VVb212m22m1343VVb233m234Vb22m1m233m23m212343VVbVbVb1221m2m12VVbm2m12VVb1222m1m2343VVb1222m1m2343VVb122m122Vb133m1341Vb1m12m233m13m112343VVbVbVbn最高次数为最高次数为3的多项式的频谱结构图的多项式的频谱结构图直流直流分量分量实际工作中非线性元件总是要与一定的线性网络相互实际工作中非线性元件总是要与一定的线性网络相互配合起来使用的。非线性元件的主要作用在于进行频配合起来使用的。非线性元件的主要作用在于进行

15、频率变换，线性网络的主要作用在于选频或滤波。率变换，线性网络的主要作用在于选频或滤波。4.3 非线性电路分析法 2. 折线分析法折线分析法(broken line method)晶体晶体三极三极管的管的转移转移特性特性曲线曲线用折用折线来线来近似近似 信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换。导通、饱和等几种不同状态之间的转换。折线分析法的适折线分析法的适用场合：用场合：输入信输入信号足够大（使非号足够

16、大（使非线性元件进入饱线性元件进入饱和和截止状态）和和截止状态）使用折线分析法使用折线分析法的优点：的优点：可简化可简化分析、计算过程分析、计算过程4.4 线性时变参量电路分析法 4.4.1 时变跨导电路分析时变跨导电路分析4.4.2 模拟乘法器电路分析模拟乘法器电路分析4.4.3 模拟乘法器电路举例模拟乘法器电路举例4.4.4 开关函数分析法开关函数分析法4.4 线性时变参量电路分析法 4.4.1 时变跨导电路分析法时变跨导电路分析法在在“4.6 晶体管混频器晶体管混频器”一节中讲解一节中讲解 P146 smmVV0VBBVCCCL0vsv4.4 线性时变参量电路分析法 4.4.2 模拟乘法

17、器电路分析模拟乘法器电路分析vov1v2i0TBETBEV/scEV/scEveiiiveiii212211而而3T的的集集电电极极电电流流：)e1(i)ii1(iiiiT1V/v1E1E2E1E2E1Eo 为为差差模模输输入入信信号号电电压压。则：差分输出电流为：则：差分输出电流为：)2tanh(1021TccodVviiii )e1(i)ii1(iiiiT1V/v1E1E2E1E2E1Eo 当当vi2VT时，时，TTVv)Vvtanh(2211TodVvii2 10 EbeRvviee320V 而：而：31211ee32222VVvRVRvvRVRVvRvvRRiuETCETCTEbeCC

18、odo ic1ic2ioo1Cii o2Cii 可可以以 看看出出当当1 Z的的范范 围围内内1Ci , 2Ci与与Z近近似似成成线线性性关关系系在在常常温温下下（T=300K） mV26qKTVT ，所所以以当当mVv261 差差动动放放大大器器工工作作 在在放放大大区区域域内内，这这时时有有： 1mo2C1mo1CvgivgiT1VvZ 式式中中：12C11Cmovivig 为为放放大大器器T1，T2的的跨跨导导一一般般当当Z很很能能小小时时：1 ZZeeKT4qiV4igoTomo 有有ZZOi又又由由于于oi是是受受交交流流信信号号2v控控制制的的，式式中中oI表表示示静静态态 直直流

19、流分分量量， 而而g为为3T的的跨跨导导，一一般般若若eR足足够够大大时时，在在eRg1 1121221122)(viRKTqRvgiiRRiRivoCCmoCCCCCCCoiovo1211211222)(2vKvvKvgvRKTqvIRKTqvgvIRKTqvoCoCoCo可见，该电路实现了可见，该电路实现了乘法功能乘法功能，即具，即具有频率变换作用。其缺点是输出端存有频率变换作用。其缺点是输出端存在在非相乘项非相乘项，因此它不是理想的乘法，因此它不是理想的乘法器。采用器。采用双模拟乘法器双模拟乘法器可解决此问题。可解决此问题。4.4 线性时变参量电路分析法 4.4.2 模拟乘法器电路分析模

20、拟乘法器电路分析vov1v2i0令令 Kv2=K ，则则vo又可表示为又可表示为 K 可视为可视为 v1的电压放大系数（时变电压放大系数也是时的电压放大系数（时变电压放大系数也是时变参量的一种）变参量的一种） 。因此，。因此，模拟乘法器电路可看作是模拟乘法器电路可看作是时变时变参量电路的一种。参量电路的一种。 ov0KK21vv1vov0KK1v1v4.4 线性时变参量电路分析法 4.4.3 开关函数分析法开关函数分析法在在“4.7 二极管混频器二极管混频器”一节中讲解一节中讲解 P1521Tr2Tr1Dovsvsvsv2iiiLR1i2D高频高频放大放大中频中频放大放大解调器解调器混频器混频

21、器本地本地振荡器振荡器低频低频放大放大自动自动增益增益控制控制输入输入回路回路 4.5 变频器的工作原理 作用：作用：将高频信号变换为固定的中频信号。具有这种作用的将高频信号变换为固定的中频信号。具有这种作用的电路称为混频器电路称为混频器（mixer）或变频器或变频器(convertor)。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 混频器的工作原理混频器的

22、工作原理混频器是如何实现频谱搬移的假设非线性电路的表达式为5.5 混频器的工作原理混频器的工作原理20)(vvkiS代入上式可得与则将0vvS200)coscos(tVtVkiSStVtkVtVktVk2211222211coscos2coscos)(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4.5 混频器的工作原理混频器的工作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

23、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注意若采用差频，搬移后频谱要左右翻转要注意若采用差频，搬移后频谱要左右翻转作用：作用：将高频信号变换为固定的中频信号。具有这种作用的将高频信号变换为固定的中频信号。具有这种作用的电路称为混频器电路称为混频器（mixer）或变频器或变频器(convertor)。特点：特点：必须保持调制规律不变。必须保持调制规律不变。AGC输入输入回路回路本地本地振荡器振荡器混频器混频器中频中频放大放大解调器解调器高频高频放大放大低频低频放大放大波形描述波形描述从从波形波形和和频谱频谱两个

24、角度进一步解释混频的作用与特点两个角度进一步解释混频的作用与特点从从波形波形和和频谱频谱两个角度进一步解释混频的作用与特点两个角度进一步解释混频的作用与特点特点：特点：必须保持调制规律不变。必须保持调制规律不变。混频器混频器波波形形描描述述Ff iFf iifFf sFf ssf0f0相对幅度f中频调幅波中频调幅波高频调幅波高频调幅波本振信号本振信号总结：总结：混频是频谱的线性搬移过混频是频谱的线性搬移过程，即混频前后的频谱结程，即混频前后的频谱结构相同，亦即保持了调制构相同，亦即保持了调制规律不变的特点。规律不变的特点。频谱搬移频谱搬移频频谱谱描描述述例子例子混频器混频器高频已调波高频已调波

25、中频已调波中频已调波本振信号本振信号高频已调波高频已调波中频已调波中频已调波本地本地振荡器振荡器本振信号本振信号非线性非线性器件器件带通带通滤波器滤波器soiffffi大于大于fs的混频称为的混频称为上混频上混频， fi小于小于fs的混频称为的混频称为下混频下混频。soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0混频器的主要质量指标混频器的主要质量指标变频变频增益增益 减少减少非线性失真的非线性失真的各种组合频率干扰各种组合频率干扰（选择器件（选择器件特性接近平方律或近似理想相乘器）特性接近平方律或近似理想相乘器） 工作稳定性：主要是工作稳定性：主要是本

26、振频率稳定本振频率稳定，才能保证中，才能保证中频频率稳定频频率稳定混频混频噪声系数噪声系数尽量尽量小小 中频输出回路有中频输出回路有良好的选择性良好的选择性（理想为矩形滤波）（理想为矩形滤波）变频变频功率增益功率增益（输入高频电压振幅）（中频电压振幅）smimvcVVA （输入高频信号功率）（中频信号功率）sPPAipc1. 时变跨导时变跨导电路理论电路理论只要设法使器件只要设法使器件跨导跨导按某一频率随时间作周期性变化，按某一频率随时间作周期性变化，就可实现频率变换。就可实现频率变换。线性时变电路线性时变电路(linear time-varying circuit)：指电路元指电路元件的参数

27、不是恒定不变的，而是按一定规律随时间变件的参数不是恒定不变的，而是按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。化，且这种变化与元件的电流或电压无关。 时变参量线性电路的正常工作状态具有两个输入信号，时变参量线性电路的正常工作状态具有两个输入信号，一个是控制信号一个是控制信号v0，通常为，通常为强信号强信号；一个是被处理信；一个是被处理信号号vs，通常是，通常是弱信号弱信号。4.6 晶体管混频器 1. 时变跨导时变跨导电路理论电路理论smmVV0VBBVCCCL0vsv设信号电压为设信号电压为tVvmssscos控制电压为控制电压为tVvm000cos VBB O O ic t eb

28、e ebe a 2 b2 a b a 1 b1 BEv因为因为 iC = f (vBE)= f (VBB + v0+ vs )(SBBCBBSvVfiVv即的偏置电压把此项看作是那么在任意一个时刻那么在任意一个时刻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.)()()(2210BBBBBBBBBBVVbVVbbVf 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 ebe eb

29、e 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(02010tItIIicmcmcCSvtgtgg

30、.)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4.6 晶体管混频器 2. 晶体管混频器原理晶体管混频器原理VBB：混频管的基极静态偏置电压：混频管的基极静态偏置电压VCC：混频管的集电极电源电压：混频管的集电极电源电压LC：构成输出中频回路，谐振：构成输出中频回路，谐振于于中频中频 fi 。分析思想：分析思想：把振幅较大的把振幅较大的本振电压本振电压看作是看作是时变工作电时变工作电压压(叠加在叠加在V

31、BB上上)，这个电压使混频管的工作点（动态，这个电压使混频管的工作点（动态）沿转移特性曲线上下移动，这样晶体管的跨导则随）沿转移特性曲线上下移动，这样晶体管的跨导则随之变化，这就是所谓的之变化，这就是所谓的时变跨导时变跨导的概念。的概念。：大信号即为本振电压信号；大信号即为本振电压信号；小信号即为高频已调波信号。小信号即为高频已调波信号。属于叠加属于叠加型混频器型混频器smmVV0VBBVCCCL0vsv fi4.6 晶体管混频器BEvCiOovsvOtBEv同时，同时，由于由于信号电压信号电压vs很小，很小，无论它工作在特性曲线的哪个无论它工作在特性曲线的哪个区域，都可以认为特性曲线是区域，

32、都可以认为特性曲线是线性的，而跨导是时变的，故线性的，而跨导是时变的，故称为称为线性时变跨导线性时变跨导电路。电路。smmVV0VBBVCCCL0vsv fi4.6 晶体管混频器)2coscos(02010tItIIiCmCmCCtVtgtggssmcos)2coscos(02010由前面所述的线性时变参由前面所述的线性时变参量电路的理论可知混频管量电路的理论可知混频管中的集电极电流中的集电极电流 ic为为若中频频率取差值若中频频率取差值 i= 0 s，则中频电流分量为，则中频电流分量为tgVtgVii1sms01smicos2cos2smmVV0VBBVCCCL0vsv4.6 晶体管混频器0

33、vsvCLBBVCCV i= 0 stgVtgVii1sms01smicos2cos2其振幅为其振幅为21smimgVI变频跨导变频跨导定义为定义为1smimc21gVIg输入的高频电压振幅输出的中频电流振幅还可求得相应的混频电压增益和功率增益（推到略）还可求得相应的混频电压增益和功率增益（推到略）LoccsmimvcGggVVAicLvcsgGAPPA2ipc(conversion transconductance)4.6 晶体管混频器3. 三极管混频器的几种电路组态三极管混频器的几种电路组态0vsvif(a)(b)(c)(d)0v0v0vsvsvsvififif4.6 晶体管混频器0vsv

34、if(a)(b)0vsvif 优点：对优点：对本振信号本振信号是共发是共发电路，输入阻抗较大，使本电路，输入阻抗较大，使本振负载较轻，容易起振，需振负载较轻，容易起振，需要的本振注入功率也较小。要的本振注入功率也较小。 缺点：相互间影响较大，缺点：相互间影响较大，可能产生频率牵引现象可能产生频率牵引现象（pull-in phenomena）。 优点：牵引现象可能性小；优点：牵引现象可能性小；对本振信号是共基电路，输对本振信号是共基电路，输入阻抗小，不易过激励。入阻抗小，不易过激励。 缺点：需较大的本振注入缺点：需较大的本振注入功率。功率。4.6 晶体管混频器0vsvif(a)(b)(c)(d)

35、0v0v0vsvsvsvififif均为共基混频电均为共基混频电路，多用于频率路，多用于频率较高的情况，但较高的情况，但变频增益低。变频增益低。组态组态(a)、(d)有共有共同的优点：本振同的优点：本振易起振。易起振。组态组态(a)、(c)的共的共同缺点：易产生同缺点：易产生牵引现象。牵引现象。组态组态(b)、(c)有共同的缺点：需较大的本振注入功率。有共同的缺点：需较大的本振注入功率。U晶体管混频应用电路晶体管混频应用电路（调幅收音机）（调幅收音机）自激式自激式混频电路混频电路f0fifsvsviv0三极管、三极管、L3、L4、C6、C7、C8等构成等构成互感耦合振荡器互感耦合振荡器，为混频

36、器为混频器提供本振信号提供本振信号。输入、输出均采用部分接入。输入、输出均采用部分接入。这种混这种混频管组频管组态的优态的优缺点是缺点是什么？什么？f0fifsvsviv0U晶体管混频应用电路晶体管混频应用电路（电视接收机）（电视接收机）输入、输出均采用部分接入输入、输出均采用部分接入本振源由本振源由外部引入外部引入4.7 二极管混频器 1. 1. 开关函数分析法开关函数分析法ovsvLRiDsvLRiovrd开关频率开关频率 o o原原理理电电路路等等效效电电路路电路工作在开关状态很大 0v）（）（表示则有：用开关函数0001)(S)(S00vvtt)(S10svvtRriLd）（）（000

37、000svvRrvviLd5.7 二极管混频器 svLRiovrd开关频率开关频率 o o）（）（0001)(S00vvttttt000cos552cos332cos221)(S)(S10svvtRriLdtVtVRri0omssmLdcoscos1ttt000cos552cos332cos221假设的信号电压假设的信号电压假设的控制电压假设的控制电压5.7 二极管混频器 tVtVRri0omssmLdcoscos1ttt000cos552cos332cos221中频（中频（ o o s）分量分量电流电流 i 中还包括其它中还包括其它频率频率成分成分v1和和v2的频率成分的频率成分 s 和和

38、o ov1和和v2的各奇次谐波频率的和频与差频的各奇次谐波频率的和频与差频 (2n-1) o o s v2的偶次谐波频率的偶次谐波频率 2n o o通过调谐于通过调谐于 o o s或或 o o+ s的的带通滤波器则带通滤波器则可取出差频或和频信号，可取出差频或和频信号，这就是混频过程。这就是混频过程。与晶体管混频时所含有的频率分量作比较与晶体管混频时所含有的频率分量作比较5.7 二极管混频器 2. 二极管平衡混频器二极管平衡混频器（由两个特性相同的二极管构成）（由两个特性相同的二极管构成）1Tr2Tr1Dovsvsvsv2iiiLR1i2Dovsv2isv1i1Dv2DvLRLRiviv原理性

39、电路（叠加型）原理性电路（叠加型）等效电路等效电路5.7 二极管混频器 tttt000cos552cos332cos221)(S输入信号电压：输入信号电压：tVvoomocos本振电压：本振电压：tVvssmscos 电路分析电路分析ovsv2isv1i1Dv2DvLRLRiviv)(S1s01vvtRriLd)(S1s02vvtRriLdsLd21)(1vtSRriiitVtttRrissm000Ldcoscos552cos332cos2211正半周两个二极管均导通正半周两个二极管均导通负半周两个二极管均截止负半周两个二极管均截止5.7 二极管混频器 ovsv2isv1i1Dv2DvLRLR

40、ivivtVtttRrissm000Ldcoscos552cos332cos2211 s、 o o s、 (2n-1) o o s。可见，平衡混频器输出的频率成分有：可见，平衡混频器输出的频率成分有：由单个二极管构成的混频器的情况由单个二极管构成的混频器的情况 s、 o o 、 o o s、(2n-1) o o s、2n o o将以上两种情况以及和晶体管将以上两种情况以及和晶体管混频器作比较。混频器作比较。无无n o o分量分量5.7 二极管混频器 3. 二极管环形混频器二极管环形混频器（双平衡混频器）（双平衡混频器）Tr1RLD4i1v0D2D3D1i2i4i3Tr2Tr3vs+vi+i4i

41、2Tr2Tr1Tr3vs+D4D2v0+vi+RLRLvi+vs+D1D3i1i3Tr2Tr1v0+Tr3正半周正半周负半周负半周原理性电路（叠加型）原理性电路（叠加型）5.7 二极管混频器 i4i2Tr2Tr1Tr3vs+D4D2v0+vi+RLRLvi+vs+D1D3i1i3Tr2Tr1v0+Tr3正半周正半周负半周负半周sLd31)(1vtSRriiis*Ld24)(1vtSRriii 2)(*TtStSs00Lds*Ldcos334cos41)()(1vttRrvtStSRriii tt00cos332cos221正半周正半周负半周负半周5.7 二极管混频器 tVttRrissm00L

42、dcoscos334cos41二极管平衡混频器二极管平衡混频器的情况的情况 s、 o o s、 (2n-1) o o s可见，二极管环形混频器输出的频率成分有：可见，二极管环形混频器输出的频率成分有：由单个二极管构成的混频器的情况由单个二极管构成的混频器的情况 s、 o o 、 o o s、(2n-1) o o s、2n o o将以上三种情况以及和晶体管混频器作比较。将以上三种情况以及和晶体管混频器作比较。 o o s、 (2n-1) o o s四种混频器中的频率分量比较四种混频器中的频率分量比较本振及谐波本振及谐波信号及谐波信号及谐波组合频率组合频率晶体管晶体管混频器混频器0 20 30 4

43、0s 2s 3s 4s | p0 qs| (p=q=1,2,3, )单二极管单二极管混频器混频器0 20 40 60s | p0 s | (p=1,2,3, )二极管平衡二极管平衡混频器混频器Nones0 s 30 s 50 s 二极管环形二极管环形混频器混频器NoneNoneAs above结论结论 说明：说明：二极管混频器中的频率分量数目二极管混频器中的频率分量数目是在二极管是在二极管下分析得到的。下分析得到的。晶体管混频器中的各种无用频率分量数晶体管混频器中的各种无用频率分量数目最多，二极管环形混频器的各种无用目最多，二极管环形混频器的各种无用频率分量数目比较少，其中二极管环形频率分量数

44、目比较少，其中二极管环形混频器中的各种无用频率分量数目最少。混频器中的各种无用频率分量数目最少。混频后，可以得到所需的中频频率分量：混频后，可以得到所需的中频频率分量： i= 0 s（差频）或（差频）或 i= 0 +s（和频）（和频） 5.8 模拟乘法器混频电路 v0vivsMC14965.8 模拟乘法器混频电路 v0vivsMC1596组合频率少，混频增益高，输入频率可高达组合频率少，混频增益高，输入频率可高达200MHz补充：场效应管混频电路补充：场效应管混频电路2)(1offGSGSDSSDVvIi0)(GSoffGSvV设栅源的直流偏置电压为设栅源的直流偏置电压为VGSQ ，得得 vG

45、S = VGSQ+vSv0 ， 代入上式得代入上式得20)(2)(vvVVVIisGSQoffGSoffGSDSSDm02smimVVIVIgoffGSDSSc可得中频电流幅值：可得中频电流幅值：场效应管混频场效应管混频器的变频跨导器的变频跨导vSv0vivSviv0m0sm2)(imVVVIIoffGSDSS输出的输出的iD频率成分：频率成分： o o s、 o o 、2 o o 、 s 、2 s5.9 混频器的干扰 干扰哨声干扰哨声寄生通道干扰寄生通道干扰分类分类组合频率干扰组合频率干扰（混频器特有（混频器特有) )非线性失真非线性失真混频器的各种非线性干扰是很严重的问题，常把非线性混频器

46、的各种非线性干扰是很严重的问题，常把非线性产物的多少作为衡量混频器质量标准之一。产物的多少作为衡量混频器质量标准之一。交调失真交调失真互调失真互调失真包络失真包络失真强信号阻塞强信号阻塞 产生的原因：产生的原因：由混频器的非线性所引起。由混频器的非线性所引起。 产生的原因：产生的原因： 由于混频器的非线性特性，使得在其输出电流由于混频器的非线性特性，使得在其输出电流中，除了有需要的中频中，除了有需要的中频（ f0 fs ）外，还有一外，还有一些组合频率些组合频率 pf0 qfs (p=q=1,2,3, ) 如果如果 p f0 q fs f i 则此中频则此中频 f i 一定是一定是伪中频伪中频

47、(或叫或叫赝频赝频)。这样的这样的中频经检波后必然产生中频经检波后必然产生干扰哨声干扰哨声（interfere squealing）。）。1.1.组合频率干扰组合频率干扰(combined frequency interference)有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰说明：说明： p f0 q fs f i 包括以下四种情况：包括以下四种情况： p f0 q fs f i () p f0 q f s f i () p f0 q f s f i () p f0 q f s f i () 若取：若取： f i = f 0 f s （真正的中频）（真正的中频），则第，

48、则第、种情况可写成：种情况可写成：isfpqpf1 该式便是可能产生该式便是可能产生干扰哨声干扰哨声的的输入信号频率表示式。输入信号频率表示式。1.1.组合频率干扰组合频率干扰(combined frequency interference)有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰减小干扰哨声的措施减小干扰哨声的措施1.1.组合频率干扰组合频率干扰(combined frequency interference)有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰采用平方律器件采用平方律器件 工作点设计应接近平方律部分工作点设计应接近平方律部分 电路采用平衡

49、推挽的形式电路采用平衡推挽的形式 采用相乘器实现混频采用相乘器实现混频 将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之外。外。如，中频接收机，如，中频接收机，f i 规定为规定为 465 kHz。(中波：中波：535 1605 kHz) 例题例题1：某超外差接收机的中波段为某超外差接收机的中波段为 5311603kHz， f i = f 0 f s =465kHz，问：在该波段内哪些频率能产生较，问：在该波段内哪些频率能产生较大的干扰哨声大的干扰哨声(设非线性特性为设非线性特性为6次方项及其以下项次方项及其以下项)？解：解： f s= 5311603kHz

50、 f s/ f i =1.143.45据题意，据题意，p+q6当当p=1, q=2 时，时， ，此值在，此值在1.143.45范围内。范围内。21pqp则则 f s 2 f i=930kHz，即，即 2f s f 0 f i 。上式说明上式说明 f s 为为930kHz 时，将产生组合频率干扰。时，将产生组合频率干扰。1.1.组合频率干扰组合频率干扰(combined frequency interference)有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰例题例题2：某电台发射频率某电台发射频率 f s =931kHz，中频频率，中频频率f i = f0 f s =465

51、kHz，试判断，试判断 p=1, q=2 时，能否时，能否产生组合频率干扰。产生组合频率干扰。解：解： f s =931kHz ，f i = f0 f s =465kHz f 0 = f i + f s =1396kHz 当当p=1, q=2 时，时， 2f s f0 =466kHz f i 由此可知会产生组合频率干扰，而且要产生由此可知会产生组合频率干扰，而且要产生1kHz的的干扰哨声干扰哨声（通过检波）。（通过检波）。1.1.组合频率干扰组合频率干扰(combined frequency interference)有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰2.2.组合

52、副波道干扰组合副波道干扰(combined subchannel interference)混频器输入回路选择性不好，外来强干扰信号进入了混频器输入回路选择性不好，外来强干扰信号进入了混频器，然后与本振信号及其谐波进行混频，而形成混频器，然后与本振信号及其谐波进行混频，而形成接近中频频率的干扰。接近中频频率的干扰。产生条件：产生条件：p f0 q fn f i 或或 p f0 q fn f i fs =f0 f i , 上式又可写为：上式又可写为：infpfqf01外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰或或infppfqf11s 产生的原因：产生的原因：2.2.组合副波道干扰

53、组合副波道干扰重点讨论以下两种情况重点讨论以下两种情况 p=0，q=1-中频干扰中频干扰 (intermedite frequence interference)此时，此时， fn =f i 。该干扰信号直接在混频器中放大输出，。该干扰信号直接在混频器中放大输出，产生干扰。产生干扰。产生机理产生机理：由混频器非线性特性的：由混频器非线性特性的一次方项一次方项产生。产生。(combined subchannel interference)外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰infpfqf01 p=1，q=2-镜像频率干扰镜像频率干扰 (image frequence inte

54、rference)此时，此时， fn = f s+2 f i 。f sf 0 fn f if i 产生机理产生机理：由混频器非线性特性的：由混频器非线性特性的二次方项二次方项产生。产生。 f i 取值大小的影响取值大小的影响： f i 越小，越小， fn 越接近越接近 fs，则越易，则越易进入混频器，而形成干扰。进入混频器，而形成干扰。2.2.组合副波道干扰组合副波道干扰(combined subchannel interference)外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰infpfqf012.2.组合副波道干扰组合副波道干扰(combined subchannel int

55、erference)外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰例题例题3：一部普通一部普通87108 MHz调频收音机，当频率指调频收音机，当频率指针调到针调到106.2MHz附近时，在飞机场附近居然接收到了附近时，在飞机场附近居然接收到了127.6MHz的机场地面气象报告内容。请解释其原因。的机场地面气象报告内容。请解释其原因。（已知收音机（已知收音机IF=10.7MHz） 答：产生了镜频干扰。答：产生了镜频干扰。 因为符合关系式：因为符合关系式：fn fs+2 fi 其中：其中： fs =106.2MHz， fi =10.7MHz要消除副波道干扰要消除副波道干扰，就必须加大寄

56、生通道干扰信号与，就必须加大寄生通道干扰信号与有用输入信号之间的频率间隔，以便混频器前滤波器将有用输入信号之间的频率间隔，以便混频器前滤波器将副波道干扰副波道干扰信号滤除。不让它们加到混频器输入端。信号滤除。不让它们加到混频器输入端。中频干扰是中频干扰是最强的寄生通道干扰最强的寄生通道干扰，为消除它，与干扰，为消除它，与干扰哨声一样哨声一样，中频应选在接收频段以外中频应选在接收频段以外，且远离接收频段且远离接收频段。2.2.组合副波道干扰组合副波道干扰(combined subchannel interference)外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰 减小副波道干扰的措

57、施减小副波道干扰的措施镜像频率干扰镜像频率干扰是是另一个副波道干扰另一个副波道干扰，鉴于它与有用信，鉴于它与有用信号之间的频率间隔为号之间的频率间隔为中频的二倍中频的二倍，可以采用，可以采用两种措施两种措施来来消除它：消除它：一是一是高中频方案高中频方案，二是二是二次混频结构二次混频结构。3.3.交叉调制干扰交叉调制干扰(crossed modulation interference)交叉调制干扰的现象交叉调制干扰的现象* 如果接收机对欲接收信号频率调谐，则可清楚地收到如果接收机对欲接收信号频率调谐，则可清楚地收到干扰信号电台的声音。干扰信号电台的声音。* 接收机对接收信号频率失谐，则干扰电台

58、的声音减弱。接收机对接收信号频率失谐，则干扰电台的声音减弱。* 如果欲接收电台的信号消失，则干扰电台的声音也消失。如果欲接收电台的信号消失，则干扰电台的声音也消失。交叉调制干扰是由于变频电路和高频放大器的非线性交叉调制干扰是由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的。输出输入特性产生的。特点特点与干扰信号频率无关。与干扰信号频率无关。产生的原因产生的原因3.3.交叉调制干扰交叉调制干扰 数学分析数学分析* 从晶体管正向转移特性从晶体管正向转移特性 icvBE 关系入手，将关系入手，将 ic 展开展开成泰勒幂级数，得：成泰勒幂级数，得： 32)(61)(21)()()(vVfvVfvVf

59、VfvVfiBBBBBc 326121)(vgvgvgVfiBc* 设作用在输入端（基极设作用在输入端（基极发射极间）的电压有：发射极间）的电压有：信号电压：信号电压：ttmVvssmscos)cos1 (11干扰电压：干扰电压：ttmVvnnmncos)cos1 (22则合成电压：则合成电压：ttmVttmVvnnmssmcos)cos1 (cos)cos1 (2211(crossed modulation interference)3.3.交叉调制干扰交叉调制干扰* 将将 v 代入代入 ic 式，即得：式，即得：32211222112211cos)cos1 (cos)cos1 (61cos

60、)cos1 (cos)cos1 (21cos)cos1 (cos)cos1 ()(ttmVttmVgttmVttmVgttmVttmVgVfinnmssmnnmssmnnmssmBc * 把信号基波电流取出，即得：把信号基波电流取出，即得：ttmVVgtmgVgVisnmsmsmsmCcos)cos21cos(222111 注意信号电压是：注意信号电压是：ttmVvssmscos)cos1 (11(crossed modulation interference)括号内的项代表放大器或混频器的输出信号的括号内的项代表放大器或混频器的输出信号的包络变化，其中第二项为有用信号的调制，第包络变化，其中