通信电子线路9

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.掌握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)(LLfu一个中频输出信号：)(IIfu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：cLIfff其中：输出高中频输出低中频cLcLIfffff9.1概述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)(ccfufcfc+Ffc-Ffuc的频谱fcfLfuL的频谱fIfI+FfI-FfuI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。2ΩmaxωI=ωL-ωc乘法器带通滤波器输入已调波：ttUuccccoscostUuLLLcos两信号的乘积项：tttUUtttUUucLcLLcLcLcI)cos()cos(cos21coscoscos2.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cLI,带宽max2B则经带通滤波器的输出为：ttUttUUttUUuIILccLLcIcoscoscoscos21)cos(cos21IuIucuL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ωc变化成ωL-ωc=ωIuLuc非线性元件带通滤波器(1)调幅(DSB为例)uΩ乘法器带通滤波器uDSBuo2Ωmaxωo（2）检波uDSB乘法器低通滤波器uouΩΩmax（3）混频uDSB=uc乘法器uL带通滤波器uIωI=ωL-ωcωLωc3.振幅调制、检波与混频器的相互关系ωI=ωL-ωC2Ωmax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。nF(1)变频增益：变频电压增益:sIuUUA输入高频电压振幅输出中频电压振幅变频功率增益:cIPPGP(2)噪声系数:噪声功率比输出端中频信号噪声功率比输入端高频信号//0nInicnPPPPF4.混频器主要性能指标(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ωI。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=Usmcosωst为小信号uL=ULmcosωLt为大信号ULmUsmSo：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：coscosbebbLmLsmsuVUtUt()cbeceifuu、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21()()()()()2cbbLbbLsbbLsifVutfVututfVutut对于小信号us，其高阶导数很小，可近似为：()()()cbbLbbLsifVutfVutut式中：f[Vbb+uL(t)]为ube=Vbb+uL(t)时集电极电流；()bebbLuVut()bbLbeicfVutgu()cbeifu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)=Usmcosωst作用下，集电极电流为：01201210120122()()()(coscos2)(coscos2)coscoscos2coscos()2cos()cos(2)cos(2222cbbLbbLsccmLcmLLLsmsccmLcmLsmsLsLsLsLsifVutfVututIItItggtgtUtgIItItUgttgggtt)t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：012()coscos2bbIccmLcmLfVutIItIt012()()coscos2bbLLLfVutgtggtgt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IIm与输入高频信号振幅Usm之比，即：Im112smIcUgg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：11()cosdLLggttt111()cosd22cLLgggttt（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：1cos()2IsmLsgiUt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：11(1cos)cos2IsmaIigUmtt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Im0cucsmcLgUAUgg变频功率增益20cILpcScLicgPgAPggg当gL=goc时，输出回路匹配，变频功率增益最大。2max04cpciccgAgg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0.3~0.7mA为宜。eQIApc和NF与ULm、IeQ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=Usmcosωst+ULmcosωLt，ULmUsm，混频器的中频ωI=ωL-ωs，试求混频器的变频跨导gc。Luucduditg)(解：tUatUaUatUatUauauatgLLmLLmLmLLmLLmLL2cos23cos223cos3cos232)(232232232232则：式中：LmUag212LmcUagg2121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平衡型混频器环形混频器电路条件(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II原理分析1．开关工作状态下，流过二极管D1、D2的电流12;22sIsIdLLdLLuuuuigktuigktu2．在无带通滤波的条件下，流过输出回路的电流为12()()dLsIiiigktuu设，则Imcos,cosssmsIIuUtuUtImImImImIm122coscos3coscos2311111coscoscoscoscos22111cos3cos32331cos33dLLsmsIdsmsdIdsmLsdsmLsdLIdLIdsmLsdsmLsdLigttUtUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUIm1cos33IdLItgUt3．当输出回路调谐于ωI=ωL-ωs时，则输出中频电流为Im11coscos2IdsmIdIigUtgUt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：ImIm1111coscoscoscos22sdsmsdLIdsmsdsigUtgUtgUtgUt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：21/,(1/21/)ddgggg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。201122gggg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2222120IILpcucSssucPUgAAPUggAggg☺混频器工作于全匹配的条件推导过程isiI3.二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(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。电路条件：(1)在本振信号正半周，D1和D2组成平衡混频器12()()dLsIiiigktuu(2)在本振信号负半周，D3和D4组成平衡混频器34()()dLsIiiigktuu原理分析(1)在本振信号正半周，