高频电子线路-变频电路-课件

哈尔滨工业大学2009.12

高频电子线路第九章变频电路无线电发送与接收设备组成无线通信系统的基本组成第九章变频电路

主要内容概述晶体三极管混频二极管混频器模拟乘法器混频器混频器的干扰与失真第一节概述1、变频电路的功能是将已调波的载频变换成固定的中频频率，而保持其调制规律不变。时域表示法频域表示法

一、变频电路的功能2、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

一个中频输出信号：uc

(fc)uL

(fL)uI

(fI)混频器tuc

(t)tuI

(t)tuL

(t)有两个输入信号：

高频调制波

fcfc+Ffc+Ffuc的频谱fcfLfuL的频谱fIfI+FfI+FfuI的频谱输入信号uc与输出信号ui的包络形状相同，频谱结构相同，只是中心频率不同：

②非线性器件用于频率变换混频器变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。二、变频器的组成①混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成常用的非线性器件晶体三极管二极管场效应管差分对管模拟乘法器……③输入信号us与本振信号uL通过非线性器件后会产生很多新的频率分量。其通过带通滤波器可选出其中之一，称其为中频频率。若带通滤波器取fI=fL+fs称高中频。若带通滤波器取fI=fL-fs称低中频。

混频器混频器是频谱的线性搬移电路，实现所需的频谱线性搬移功能。

2Ωmax

ωI=ωL-ωc乘法器带通滤波器输入已调波：两信号的乘积项：

三、混频器的基本工作原理ωLuLωL-ωcωL+ωcuI本振信号:ucωc如果带通滤波器的中心频率为

,带宽

则经带通滤波器的输出为：uIucuLuLuc非线性元件带通滤波器

uΩ乘法器带通滤波器uDSBuo2Ωmax

ωo

uDSB乘法器低通滤波器uouΩ

Ωmax四、振幅调制、检波与混频器的相互关系

(DSB为例)

uDSB=uc乘法器uL带通滤波器uIωI=ωL-ωc

ωL

ωc

ωI=ωL-ωC2Ωmax调幅检波

混频

因为混频器常作为超外差接收系统的前级，对接收机整机的噪声系数影响大。所以希望混频级的Fn

越小越好。

1、变频增益：

变频电压增益:

变频功率增益

:2、噪声系数:

3、失真与干扰变频器的失真主要有:频率失真非线性失真4、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，矩形系数趋近于1。

五、变频器的技术指标第二节晶体三极管混频器

一、晶体三极管混频器的工作原理

Vbb为直流偏置电压，us为输入信号，uL为本振信号。集电极回路调谐于中频ωI。晶体三极管混频器的原理电路

一个大信号和一个小信号同时作用于非线性元件晶体三极管在

Vbb，uL和us的作用下工作于非线性状态。由于

us很小，可以认为晶体管的工作点在Vbb+uL的作用下发生变化在每一个工作点，对us来说都是工作于线性状态，只不过不同的工作点其线性参量不同。这种随时间变化的参量称为时变参量。电路的输入条件是：us

=Usm

cosωst

为小信号uL

=ULm

cosωLt为大信号ULm>>Usm三级管的集电极电流

ic

是在Vbb，uL和us的共同作用下产生的。二、晶体三极管混频器的时变参量分析因为：因为us的值很小，在us的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可以将函数ic=f(ube)

在时变偏压Vbb

+uL(t)上展开成泰勒级数，则因为uce对ic的影响远小于ube对ic的影响，于是：正向传输特性1、混频器的时变参量表示式对于小信号us，其高阶导数很小，可近似为：

式中：

f[Vbb

+uL(t)]为

ube=

Vbb

+uL(t)时集电极电流；为

ube=

Vbb

+uL(t)时晶体三极管的跨导。

由于本振电压为大信号，工作于非线性状态，

f[Vbb

+uL(t)]和g均随

uL(t)变化呈非线性，则：式中，Ic0、Ic1m、Ic2m、g0、g1、g2分别为ube=Vbb

+uL(t)时集电极电流中的直流、基波、二次谐波分量的幅值及跨导的平均分量、基波和二次谐波分量的幅值。2、输入us后产生的混频电流

在输入信号

us(t)=Usmcosωst

作用下，集电极电流为：3、通过带通滤波器取出中频若中频频率取差频ωI=ωL-ωS，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为：

其振幅为I1m=g1Usm/2

。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅Usm成正比。

若输入信号为调幅波，Usm(1+macosΩt)cosωst，则输出中频电流为：4、混频器的变频跨导gc

变频跨导是输出中频电流振幅IIm与输入高频信号振幅

Usm之比，即：

在数值上变频跨导是时变跨导g(t)的基波分量的一半，可以通过

g(t)的基波分量g1来求变频跨导：混频器等效电路三、晶体三极管混频器的等效电路

◆由于本振电压为大信号，对于输入信号us为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路。◆输入回路调谐于ωs，输出回路调谐于ωI，等效电路各参量可根据定义和混合π等效电路求出。变频电压增益变频功率增益

当gL=goc时，输出回路匹配，变频功率增益最大。

四、具体电路和工作状态的选择

根据输入信号us可构成共射和共基两组态。而对本振电压的注入可分从基极注入和发射极注入两种组态，因此有四种组态。混频器的四种组态

1、晶体三极管混频器的四种组态us为共射组态(uL基极注入)us为共射组态(uL射极注入)us为共基组态(uL射极注入)us为共基组态(uL基极注入)混频器的四种组态

(a)us为共射组态，输入阻抗高，变频增益大。uL是基极注入，输入电抗大，易于起振。但两者相互影响大，可能产生频率牵引。（b）对uL相当于共基，起振不易，但两者相互影响小。

（c）、（d）us为共基组态输入阻抗小，变频增益小；但高频特性好，上限频率高。us为共射组态(uL基极注入)us为共射组态(uL射极注入)us为共基组态(uL射极注入)us为共基组态(uL基极注入)2、具体电路

收音机变频电路晶体管除了完成混频任务外，还兼作本机振荡器的振荡管，为互感耦合的自激振荡器。本振电压由电容耦合到晶体管的发射极。

晶体三极管混频器的参数随着管子的工作状态变化而变化。工作状态是由直流偏压和本振电压的幅值来决定。选择晶体三极管混频器的原则：变频功率增益大和噪声系数小。变频功率增益

Apc和噪声系数

NF与ULm和IEQ的关系的实验结果如图所示。ULm在100mV左右，IEQ在0.3~0.7mA为宜。

3、工作状态的选择EApc和NF与ULm、IEQ的关系

第四节二极管混频电路一、概述二极管混频器的优点电路结构简单噪声低动态范围大组合频率分量少如果采用肖特基表面势垒二极管，工作频率可高达微波频段，因而应用广泛。二极管混频器的分类平衡型混频器环形混频器二、二极管平衡混频器电路条件

(1)本振电压uL足够大，晶体二极管工作在受uL控制的开关状态。(2)输入回路的次级调谐于ωs；输出回路的初级调谐于ωI。相当于两个带通滤波器。平衡混频器原理电路原理分析1．开关工作状态下，流过二极管D1、D2的电流

2．在无带通滤波的条件下，流过输出回路的电流为

设

，则3．当输出回路调谐于

ωI=ωL-ωs时，则输出中频电流为是us和uL正向混频产生的中频电流和中频输出电压反作用产生的中频电流之差。4．当输入回路调谐于ωs时，流过输入回路初级的电流是：

是由us在输入回路中产生输入电流和

us与uL经反向混频产生输入电流之差。混频器等效电路二极管开关混频器等效电路由is和iI的关系式得出，其中：isiI二极管开关混频器等效电路

由于混频器等效电路是对称的π型双口网络，其特性电导g0的定义是在输出端接入gL=g0时，从输入端看输入电导为g0

。同样，当在输入端接入

gs=g0时，从输出端向里看的输出电导为g0

。因而全匹配条件

gL=g0

且

gs=g0，此时能获得最大的功率传输。全匹配条件F的变频功率增益

混频器工作于全匹配的条件isiI

三、二极管环形混频器本振电压uL足够大，使

D1、D2、D3、D4处于开关工作状态。本振电压正半周，D1、D2导通，D3、D4截止，开关函数为k(ωLt)。本振电压负半周，D1、D2截止，D3、D4导通，开关函数为

k(ωLt-π)。输入回路的次级调谐于

ωs输出回路的初级调谐于

ωI

相当于两个带通滤波器原理分析

(1)在本振信号正半周，D1和D2组成平衡混频器(2)在本振信号负半周，D3和D4组成平衡混频器

(3)无带通滤波条件下，输出电流

(4)有带通滤波器时，选出中频电流

(5)无带通滤波条件下，输入电流

(6)有带通滤波器时，选出输入电流结论：环形混频器与平衡混频器相比，增加了两个二极管，其输出中频电流和输入电流都增大二倍。同时在输出电流中进一步抵消了ωs、ωL±ωI、3ωL±ωI等分量。因而其应用较为广泛。第五节模拟乘法器混频器

MC1596构成混频器

外来输入信号本振信号

MC1596构成混频器

输入信号Usm约为1.5mV，本振电压ULm

约为100mV。

6、9端分别接100uH

电感到电源，对于工作频率fI=9MHz

等效为5.6K欧姆电阻。

混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz。

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

,(p,q=0,1,2,3,….)uc(f

c)uL(f

L)uI(f

I)un(f

n)非线形元件中频滤波器uo(

)如果设输入信号为

,本振频率信号为

则通过

非线性元件的信号

，其中

而这些组合频率的信号中只要和中频频率fI=fL-fc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起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。

BfI第六节混频器的干扰与失真

如果设输入信号为

,本振频率信号为

一般混频器存在下列干扰：

(1)干扰哨声：接收的射频信号

与本振信号

的自身组合干扰，即

(2)副波道干扰：外来干扰信号

与本振信号

的组合频率产生的干扰

(3)交叉调制干扰：有用信号

与干扰信号

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输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。

(5)阻塞干扰(6)倒易混频

一、信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）如果中频

，则除

的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即

所以有

其中

称为变频比。

显然当变频比一定时，并能找到对应的整数p,q时，就会形成自身组合干扰。设输入高频信号的载频为

，本振信号

，则

经过混频器后产生的频率为

，其中

p,q=0,1,2,…例：调幅广播接收机的中频fI=465KHz，某电台发射频率fc=931KHz，当接收该电台广播时接收机的本振频率

，由于变频比

fc/fI=931/465≈2，可推算出：由于组合频率与中频差

1KHz，经检波后可产生1KHz的哨声.（三阶干扰）.另外，当

p=3,q=5时，可得：

,也可以通过中频通道而形成干扰。（8阶干扰）。

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。

(2)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

正确选择混频器的工作点，减少组合频率分量

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，乘法器当p=1，q=2,fL=fI+fc=1396KHz。设串台干扰信号为

，它与本振信号的组合频率为：

其中

p,q=0,1,2,3….。如果选频器所选择的正常中频信号为:二、外干扰信号与本振的组合频率干扰（副波道干扰）则可能形成的副波道干扰为：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：中频干扰镜频干扰其它副波道干扰

1、中频干扰当

p=0,q=1时，

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：

提高混频器前级的选择性在混频器前级增加中频吸收电路

合理选择中频数值，中频选在工作波段之外当

p=1,q=1时，则有：

f

c

f

L

f

nfI虽然这种干扰信号频率

与输入信号频率

以本振频率

为对称轴形成镜像对称的关系。2、镜像频率干扰fI抑制镜像干扰的方法：

提高混频前级的选择性

提高中频频率，使镜像干扰频率

远离

例：中央台第一套节目的载波为

,那么收音机在接收此节目时的本振频率

,如果有一外来

电台的频率

,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

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

,时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为：

f

c

fn1

f

L

fn2可见与

对称分布在本振频率

的两边，其中

离

最近,经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。

3、组合频率干扰的情况，则有：

抑制这类干扰的方法：

提高混频器前级的选择性提高中频

选择合适的混频电路，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。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而形成的一种干扰。例：由非线性元件：

其中四阶项为

若设

而

则

展开后其中可分解出

项

三、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：其中

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形成干扰。

交调干扰的特点：

(2)干扰与载频无关，任何频率的强干