混频器原理及电路

5.5混频器原理及电路一混频概述二混频电路三混频器的干扰返回5.5.1混频器原理1.混频器的变频作用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两个输入信号与输出信号之间的关系：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：su输入信号Iu与输出信号cLIfff其中输出高中频输出低中频cLcLIfffff5.5混频器原理及电路返回休息1休息2uc(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乘法器带通滤波器混频器的一般结构框图设输入已调波信号：ttUuccccoscostUucLLcos那么两信号的乘积项为：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仿真uI返回ucuL休息1休息2可见输出中频信号的包络形状没有变化，只是填充频率Iu由c变化成IcLuLuc非线形元件带通滤波器(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返回仿真2仿真1仿真3休息1休息2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nInicnPPPPF5.5.2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。ttUttgRtutSgRuccLLdLcdLIcos)(...3cos32cos221)()(高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用平衡型混频器环形混频器优点：噪声低，电路简单，组合分量少。例1.二极管平衡混频器设输入信号ttUtuccccos)()(本振信号:tUtuLLLcos)(若cLUU则输出电压:5.5.3实用混频电路如果输出中频滤波器的中心频率为:)(cLImax2B谐振阻抗为LR，则输出电压ttUttURgttURgtuIIIcLdcLcLdIcos)(cos)(4)cos()(π4)(而环形混频器的输出是平衡混频器输出的2倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量,即减少了混频器所特有的组合频率干扰。仿真休息1休息2+uI_+uL-+uc-VD1VD22CRL2LT1T2+uL-T3uc+-uc+-1.二极管混频器利用第4章所述的时变跨导电路，可构成晶体管混频器。由于时变偏置电压)()(tuEtULBB如果cLUU则集电极电流为)()()(tutgtiiccoC2.晶体三极管混频器其中)(tg为时变跨导，受tUtuLLLcos)(的控制,而输入信为:ttUuccccoscos利用付里叶级数可将展开成:...3cos2coscos)(321tgtgtggtgLLLottUtgtgtggtiiccLLLocoCcoscos...3cos2coscos)(321如果输出回路的谐振频率为)(cLI，而max2B选出的中频电流CIi为：ttIttUgttUgiIIccLccoscoscoscos21)cos(cos21CI11CIuc+-+-uLEBECVTCLUB(t)ic其中变频跨导：1CI21gUIgCc输入高频电压振幅输出中频电流振幅变频(混频)增益Au为：L1cIu21)()(RgtUtUA中频输出电压uI为：ttUttURguIIIcL1Icos)(cos)(21双极型晶体三极管混频器基本电路的交流通道:共射极混频电路：本振信号由基极串联方式注入本振信号由射极注入共基极混频电路：(a)uc+-uL+-LCVT(d)uL+-uc+-LCVT(c)uc+-+-uLLCVT(b)LCuL+-uc+-VTCLEDRgRsFET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BJT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态范围也较大。因此，尽管FET混频器的变频增益比BJT混频器低，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：uc=Uc(t)cosωct3FET混频电路uI右图为FET混频器原理电路其中，Uc(t)=Ucm(1+macosΩt)本振电压uL=ULcosωLtLC回路调谐在中频ωI=ωL-ωc或ωI=ωc-ωL，通频带B=2Ω，回路的谐振阻抗为RL。栅—源间的电压uGS为：uGS=UGSQ+uc-uL=UGSQ+Uc(t)cosωct-ULcosωLt转移特性为平方律关系，即：2)off(GSDSSD)1(GSUuIi式中，UGS（off）为FET管的夹断电压，IDSS为漏极饱和电流。恒流区内的漏极电流为:])cos()[cos(]2cos2cos)([]coscos)([])([)(cLcL4L2Lc2c3LLcc22L2c1DSDttktUttUktUttUkUtUkItiucuLuGSiD)(2GS(off)4tUUUIkcLDSS式中，k1、k2、k3、k4为常数。可见，iD(t)中含有差频(ωc-ωL)电流分量，其幅值正比于Uc(t)为:通过漏极LC负载回路选频后，输出的中频电压为:IL2GS(off)cLL4Icos)()cos(tURUUItRkucLDSS6.8kΩCEC=15V1413.3kΩ1294813313kΩ10kΩ27-EE=-15V+15V561011-15V10kΩ10kΩRwxRwy2kΩ2kΩ8.2kΩ8.2kΩBG314(MC1595)LN1N2BG314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。设输入已调高频信号:4.模拟乘法器混频电路仿真休息1休息2uLucuIuc=Uc(t)cosωct本振电压:uL=ULcosωLtLC回路的谐振频率ωI=ωL-ωc，其带宽B≥2Ω，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:IIIcyxoxLPIcos)(cos)(tUtURRIUnRu混频增益Au为:yxoxLPcIu)()(RRIUnRtUtUA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cLqfpf,(p,q=0,1,2,3,….)uc(fc)uL(fL)uI(fI)un(fn)非线形元件中频滤波器uo()cLqfpf如果设输入信号为)(ccfu,本振频率信号为)(LLfu则通过非线性元件的信号cLoqfpfu，其中2,1,0,qp而这些组合频率的信号中只要和中频频率cLIfff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。三混频器的干扰一般混频器存在下列干扰：(1)干扰哨声：接收的射频信号)(ccfu与本振信号)(LLfu的自身组合干扰，即BfqfpfcL21IB)(nnfu(2)副波道干扰：外来干扰信号与本振信号)(LLfu的组合频率产生的干扰BfqfpfnL21I)(ccfu(3)交叉调制干扰：有用信号与干扰信号)(nnfu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fI1.信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）如果中频cLIfff，则除cLff的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即IcLILcIcLfqfpffpfqffqfpfIcIcIILcfqpfqpfqffqpfqfqpf11)(1所以有Icfpqpf1pqpffIc1其中Icff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。例：调幅广播接收机的中频KzfI465，某电台发射频率Kzfc931当接收该电台广播时，接收机的本振频率KzfffcIL1396由于变频比2465931Icff可推算出：当1p，2q，可得KHzffLc466139693122设输入高频信号的载频为)(ccfu，本振信号)(LLfu，则经过混频器后产生的频率为，其中p,q=0,1,2,…cLqfpf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：KHzffLc46735,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。设串台干扰信号为)(nnfu，它与本振信号的组合频率为：nLqfpf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）cLIfff则可能形成的副波道干扰为：ILnInLfpfqffqfpfIcILnfppfqfpfqf)1(11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，Inff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：)()(cLILncLILnffffffffff或fcfLfnfI虽然这种干扰信号频率nf与输入信号频率cf以本振频率Lf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nf远离sf例：中央台第一套节目的载波为Kzfc639,那么收音机在接收此节目时的本振频率KzKzfffcL1104465639I,如果有一外来电台的频率KzKzfffLn15694651104I,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KzffLn465的中频将被选