高频电子线路课件-哈尔滨工程大学-阳昌汉--变频电路

高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学第九章变频电路第一节概述第二节晶体三极管混频第三节场效应管混频器第四节二极管混频器第五节模拟乘法器混频器第六节混频器的干扰与失真主要内容：高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学第一节概述一、变频电路的功能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。2、变频电路功能的时域表示法和频域表示法。变频电路的主要应用之一是用于超外差接收机中，将高频载频变换成固定中频载频信号，然后通过高性能的中频放大器进行放大，使整个接收机灵敏度和选择性大大提高。下图是以输入普通调幅波为例表示的输入输出波形以及输入输出的频谱。时域表示法(1sin)sinssmasuUmtt频域表示法高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学二、变频器的组成1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。①混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成ILsfffsuILsfffLu②非线性器件用于频率变换。常用的非线性器件有晶体三极管、二极管、场效应管、差分对管和模拟乘法器等。③输入信号与本振信号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。若带通滤波器取称高中频。若带通滤波器取称低中频。混频器二、变频器的组成1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。①混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学三、变频器的技术指标1、变频增益①变频电压增益,ucAIm()()ucsmUAU输出中频电压振幅输入高频信号电压振幅②变频功率增益,pcA()()IpcSPAP输出中频信号功率输入高频信号功率2、选择性，（通常用矩形系数表示）3、噪声系数FN4、失直与干扰高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学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1、下图是晶体三极管混频器的原理电路。其中为直流偏置电压，为输入信号，为本振信号。集电极回路调谐于中频。bbVsuLuI高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、工作原理一个大信号和一个小信号同时作用于非线性元件输入信号：为小信号；本振信号：为大信号即晶体三级管的发射结加有三个电压和，晶体三极管工作于非线性状态。而对于来说，由于很小，可以认为是在的作用下，晶体管的工作点在变化。在每一个工作点，对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。cosssmsuUtcosLLmLuUtLmsmUUbbLVu、bbLVu、susubbLVusu高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、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晶体三极管的，正向传输特性为coscosbebbLmLsmsuVUtUt()cbeceifuu、因为的值很小，在的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可以将函数在时变偏压上展开成泰勒级数，则ceusu()bbLVut()cbeifu21()()()()()2cbbLbbLsbbLsifVutfVututfVutut对于小信号，其高阶导数很小，可近似为su()()()cbbLbbLsifVutfVutut式中，为时集电极电流；为时晶体三极管的跨导。()bbLfVut()bebbLuVut()bbLbeicfVutgu()bebbLuVut由于本振电压为大信号，工作于非线性状态，和g均随变化呈非线性，则()bbLfVut()Lut012()coscos2bbIccmLcmLfVutIItIt012()()coscos2bbLLLfVutgtggtgt式中，分别为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。012012ccmcmIIIggg、、、、、()bwbbLuVut高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学②输入后产生的混频电流su在输入信号作用下，集电极电流为()cosssmsutUt01201211220120()()()(coscos2)(coscos2)coscoscos2coscos()cos()cos(2)cos(22222cbbLbbLsccmLcmLLLsmsccmLcmLsmsLsLsLsLsifVutfVututIItItggtgtUtggggIItItUgtttt)t③通过带通滤波器取出中频若中频频率取差频，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为ILs1cos()2IsmLsgiUt其振幅为。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅成正比。Im112smIgUsmU若输入信号为调幅波，，则输出中频电流为(1cos)cossmasUmtt11(1cos)cos2IsmaIigUmtt高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学④混频器的变频跨导cg变频跨导是输出中频电流振幅与输入高频信号振幅之比，即ImIsmUIm112smIcUgg在数值上变频跨导是时变跨导的基波分量的一半，可以通过的基波分量来求变频跨导()gt()gt1g11()cosdLLggttt111()cosd22cLLgggttt定义:高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学二、晶体三极管混频器的等效电路◆由于本振电压为大信号，对于输入信号为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路。可用上图所示电路等效。su◆输入回路调谐于，输出回路调谐于，等效电路各参量可根据定义和混合等效电路求出。sI高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学变频电压增益Im0cucsmcLgUAUgg20cILpcScLicgPgAPggg0Lcgg与变频功率增益当相等时，输出回路匹配，变频功率增益最大。2max04cpciccgAgg高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学三、具体电路和工作状态的选择1、晶体三极管混频器的四种组态根据输入信号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su高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学图（a）对为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对是基极注入，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。suLuLu图（b）对信号为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对是射极注入，输入电阻小，本振负载较重，起振困难，但两者相互影响小，不会产生频率牵引现象。图（c）、（d）为共基组态，输入阻抗小，变频电压增益小，高频特性好，上限频率高。频率较低时不用。su上图说明高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、工作状态的选择变频功率增益和噪声系数的关系的实验结果如图所示。在100mV左右，在0.3~0.7mA为宜。pcAFLmeQNUI与、LmUeQI高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、具体电路收音机变频电路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学电视机变频电路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学第三节场效应管混频器结型场效应管混频电路1、结型场效应管混频电路如图所示一、结型场效应管混频器2、结型场效应管在饱和区漏极电流与栅源电压的关系DiGsu21GsDDsspUiIU式中，时的为夹断电压。0DssGsIu为DpiU，高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、混频原理cosssmsuUtcosLLmLuUt设输入信号，本振信号。则GsGsQsLuUuu式中为场效应管静态工作点的值。可得GsQUGsU2222221222222GsQsLDssDDsspGsQsLpGsQpspLGsQsGsQLsLppUuuIiIUUuuUUUuUuUuUuuuUU可知，中含有直流等频率分量，其中为高中频和低中频分量。若选用低中频的带通滤波器，则Di22ssLLLs、、、、Ls2cos()cosDssIsmLmLscsmIpIiUUtgUtUcg2/DssLmpIUU式中，为变频跨导，其值为。若中频带通滤波器中心频率为，且谐振电阻为，则混频器输出电压为ILsLRcosIcLsmIugRUt对于，则(1cos)cosssmasuUmtt(1cos)cosIcLsmaiugRUmtt高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学二、双栅绝缘栅场效应管混频器1、原理电路如图所示双栅场效应管混频电路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、双栅场效应管的特点及特性的表示式①．双栅绝缘栅场效应管具有栅漏极间电容很小，正向传输导纳较大，且受到双重控制，很适合于作为超高频段混频器。②．双栅绝缘栅场效应等，在放大区12DmsmLigugu式中，，。其中是由直流偏置及管子本身所决定的常数。则1012msLgaauau2012msLgbbubu012012aaabbb、、、、、220012()DsLsLsLiaubuabuuaubu3、混频原理在输入信号，本振信号时，漏极电流中含有直流等频率分量。cosssmsuUtcosLLmLuUtsL、、22LssL、、经带通滤波器可取出中频电流211()cos()2ILmsmLsiabUUt输出中频电压为2121()cos2ILmsmIuabRUUt高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学第四节二极管混频电路一、二极管平衡混频器1、原理电路如图所示高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、电路特点①本振电压足够大，晶体二极管工作在受控制的开关状态。②输入回路的次级调谐于；输出回路的初级调谐于。相当于两个带通滤波器。LuLusI3、混频原理分析①开关工作状态下，流过二极管的电流12DD、1222sIdLLsIdLLuuigktuuuigktu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cosssmsuUtImcosIIuUtImImImImIm122coscos3coscos2311111coscoscoscoscos221111cos3cos3cos32333dLLsmsIdsmsdIdsmLsdsmLsdLIdLIdsmLsdsmLsdLigttUtUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUtgUIm1cos33IdLItgUt高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学③当输出回路调谐于时，则输出中频电流为ILsIm11coscos2IdsmIdIigUtgUt是由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。sLuu和④．当输入回路调谐于时，流过输入回路初级的电流是sImIm1111coscoscoscos22sdsmsdLIdsmsdsigUtgUtgUtgUt是由在输入回路中产生输入电流和经反向混频产生输入电流之差。suILuu与结论：二极管混频器是一个能实现双向混频的电路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学4、混频器的等效电路①等效电路sIii和2/dgg1(1/21/)dgg由的关系式得出，其中，。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学②混频器工作于全匹配的条件由于混频器等效电路是对称的型双口网络，