哈工大高频赵雅琴课件第九章.ppt

1、第9章 变频电路,9.1 概述 9.2 三极管混频器 9.4 二极管混频器 9.5 模拟乘法器混频器 9.6 干扰及失真,教学基本要求,1. 掌握变频电路的功能及组成 2. 掌握典型混频器的电路组成、工作原理和性能特点 3. 了解变频干扰的来源和抑制方法,1.变频器的功能,混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络。,本地振荡信号,一个中频输出信号：,输入信号与输出信号的关系：,输入信号uc与输出信号ui的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即其中心频率不同：,其中：,9.1 概述,uc (fc),uL (fL),uI (fI),有两个输入信号：,高频调制波,混频器是频谱的

2、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，就可以实现所需的频谱线性搬移功能。,输入已调波：,两信号的乘积项：,2. 混频器的基本工作原理：,本振信号:,则经带通滤波器的输出为：,uI,uc,uL,可见：输出中频信号uI的包络形状没有变化，只是填充频率由c变化成 L - c = I,(1) 调幅(DSB为例),（2）检波,（3）混频,3. 振幅调制、检波与混频器的相互关系,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 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:,4. 混频

3、器主要性能指标,(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。,1. 工作原理,混频器原理性电路,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 I 。,9.2 晶体三极管混频器,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

4、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 cosst 为小信号,uL = ULm cosLt 为大信号,ULm Usm,So：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。,2. 晶体三极管混频器的时变参量分析 （1）混频器的时变参量表示式,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,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 = V

5、bb +uL(t)时集电极电流；,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,为 ube = Vbb +uL(t)时晶体三极管的跨导。,（2）输入us后产生的混频电流,在输入信号 us(t)=Usmcosst 作用下，集电极电流为：,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。,（4）混频器的变频跨导gc,变频跨导是输出中频电流振幅

6、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：,（3）通过带通滤波器取出中频,若中频频率取差频I=L-S，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+macost)cosst，则输出中频电流为：,混频器等效电路,3. 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s，输出回路调谐于I，等效电路各参量可根据定

7、义和混合等效电路求出。,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。,4. 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,(a) us为共射组态，输入电阻高，变频增益大。uL是基极注入，输入电阻大，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。,（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

8、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,下图是收音机中常用的变频电路。 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。,（3）工作状态的选择 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0.30.7mA为宜。,Apc和NF与ULm、I

9、eQ的关系,ic=a0+a2u2+a3u3,例：已知混频晶体三极管的正向传输特性为：,式中：u=Usmcosst + ULmcosLt，ULmUsm ，混频器的中频I=L-s，试求混频器的变频跨导gc。,解：,则：,式中：,So：,1. 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。,2. 二极管平衡混频器,9.4 二极管混频电路,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s；输出回路的初级调谐于I。相当于两个带通滤波器。,原理分析,1开关

10、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 I=L-s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s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。,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：,由于混频器等效电路是对称的型双口网络，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

11、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,推导过程,is,iI,3. 二极管环形混频器,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(Lt) 。 本振电压负半周，D1、D2截止，D3、D4导通，开关函数为 k(Lt-) 。, 输入回路的次级调谐于 s，输出回路的初级调谐于 I。相当于两个带通滤波器。,电路条件：,(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

12、半周，D3和D4组成平衡混频器,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s、 LI、3LI等分量。因而其应用较为广泛。,BG314构成的混频电路 ，如果本振电压uL、高频信号电压uc分别从4、9脚输入，BG314的输出端2、14脚间接LC谐振回路。,设输入已调

13、高频信号:,9.5 模拟乘法器混频电路,uL,uc,uI,uc= Uc(t)cosct,本振电压：uL=ULcosLt,LC回路的谐振频率I= L-c，其带宽B2，回路谐振阻抗为RP，变压比为n=N2/N1，输出中频信号电压uI为:,混频增益Au为 :,uc(f c),uL(f L),uI(f I),un(f n),uo( ),9.6 混频器的干扰和失真,一般混频器存在下列干扰：,1. 信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）,所以有,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。,例：调幅广播接收机的中频 fI=465KHz，某电台发射频率 fc=931KHz，当接

14、收该电台广播时接收机的本振频率 ，,由于变频比 fc/fI=931/4652，可推算出：,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：,当p=1，q=2,fL=fI+ fc=1396KHz。,其中 p, q=0,1,2,3. 。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（副波道干扰）,则可能形成的副波道干扰为：,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：中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰。,(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

15、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：,当 p=1 , q=1时，则有：,(2) 镜像频率干扰,f c f n1 f L f n2,(3) 组合频率干扰,的情况，则有：,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：,而,3. 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：,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，所以交调干扰是危害较大的一种干扰。 只有当 fn 和 fc 相差很大，受前级电路的抑制很彻底时，形成的干扰较小。,交调干扰与有用信号并存，通过有用信号而作用，一旦有用信号uc=0，交调干扰也消失。,(3) 混频器中，除了非线性特性的4次方项以外，更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。,抑制交调干扰的措施：,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（4次方项）尽可能小，以减少组合分量。,互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混