高频电子线路第6章_混频

第6章混频第6章混频6.1概述6.2混频电路6.3混频器的组合干扰第6章混频6.1概述混频(或变频)是将信号的频率由一个数值变换成另一个数值的过程。完成这种功能的电路叫混频器(或变频器)。如广播收音机，中波波段信号载波的频率为535kHz~1.6MHz，接收机中本地振荡的频率相应为1~2.065MHz，在混频器中这两个信号的频率相减，输出信号的频率等于中频频率465kHz。第6章混频图6.1(a)画出了混频器输入、输出信号的时域波形。经过混频，信号的载频由高频变成中频，但包络的形状不变。图6.1(b)画出了输入与输出信号的频谱。经过混频，载波频率由高频fs变成中频fi，频谱结构没有变化。所以混频是线性频率变换，也是频谱搬移。第6章混频图6.1混频器功能图混频器uous(a)(b)fftfsfifitf第6章混频在无线电技术中，混频的应用非常普遍。在超外差式接收机中，所有输入信号的频率都要变成中频，广播收音机的中频等于465kHz，电视接收机的中频等于38MHz。在发射机中，为了提高发射信号的频率稳定度，采用一个频率较低的石英晶体振荡器做主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频。此外电视差转机收发频道的转换，卫星通信中上行、下行频率的变换等等都必须采用混频器。第6章混频混频器电路是由信号相乘电路，本地振荡器和带通滤波器组成，如图6.2所示。信号相乘电路的输入信号一个是外来的已调波us，另一个是由本地振荡器产生的等幅正弦波u1。us与u1相乘产生和、差频信号，再经过带通滤波器取出差频(或和频)信号ui。第6章混频图6.2混频电路的组成框图uss相乘电路um1＋s带通滤波器ui1－s＝iu11本地振荡器第6章混频1.混频增益KPc混频增益是指混频器输出的中频信号功率Pi与输入信号功率Ps之比。ipcsPKP(6.1―1)用分贝表示为10log()ipcsPKdBP(6.1―2)混频增益的高低与混频电路的形式有关。二极管混频电路的增益KPc＜1；三极管、场效应管和模拟乘法器构成的混频电路，其增益可以大于1。第6章混频2.噪声系数NF噪声系数的定义为FN输入信号功率与输入噪声功率之比输出信号功率与输出噪声功率之比//iiooSNSN第6章混频由于电路内部噪声的存在。输出信噪比总是小于输入信噪比，所以噪声系数NF始终大于1。NF越大，说明电路的内部噪声越大；NF越小，说明电路内部噪声越小。理想情况，电路内部无噪声，NF=1。混频器由于处于接收机电路的前端，对整机噪声性能的影响很大，所以减小混频器的噪声系数是至关重要的。第6章混频3.混频失真与干扰混频器的失真有频率失真和非线性失真。此外，由于器件的非线性还存在着组合频率。某些组合频率往往是伴随有用信号而存在的，严重地影响了混频器的正常工作及性能,称之为组合频率干扰。因此，如何减小失真与干扰是混频器研究中的一个重要问题。第6章混频4.选择性所谓选择性是指混频器选取出有用的中频信号而滤除其他信号的能力。选择性越好输出信号的频谱纯度越高。选择性主要取决于混频器输出端的中频带通滤波器的性能。另外，对混频器的要求还有动态范围、稳定性等等。第6章混频6.2混频电路6.2.1三极管混频器三极管混频器电路如图6.3所示。设接收的信号us=Usmcosωst，本机振荡电压u1=U1mcosω1t，基极直流偏置电压为EB，集电极负载为谐振频率等于中频fi=f1-fs的带通滤波器。忽略基调效应时，集电极电流iC可近似表示为uBE的单元函数，iC=f(uBE),uBE=EB+u1+us第6章混频图6.3晶体三极管混频器＋－us＋－u1iB＋＋－EB－＋ECiC－uBELCRL－＋uii第6章混频由于U1mUsm，且Usm1,所以三极管混频器电路是线性时变电路。EB+u1是时变工作点电压。在时变工作点附近，把iC用台劳级数展开112311()()()11()()2!3!CBEBBsBsBsifufEufEuufEuufEuu(6.2―1)其中，第一项iC0=f(EB+u1)称为混频器的静态时变集电极电流,如图6.4所示。可用傅氏级数展开为00011021coscos2CCCCiIItIt(6.2―2)第6章混频图6.4静态时变集电极电流uBE0u100uBEtEBiCiCtiC0第6章混频式(6.2―1)中，f′(EB+u1)是晶体三极管的时变跨导g(t)，其波形如图6.5所示。同样可以把g(t)用傅氏级数展开01121()coscos2gtggtgt(6.2―3)式中，g0是时变电导的平均分量(直流跨导)；g1是基波跨导；g2称为二次谐波跨导。因此，式(6.2―1)中的第二项可以写成101121()coscos2BssssfEuugugutgut(6.2―4)第6章混频图6.5时变跨导g(t)uBE0u100uBEtEBg(t)g=iCt‘'第6章混频其中，中频电流分量，即本振频率与信号频率的差频分量等于1111cos()cos2smscsmiigUtgUt(6.2―5)式中112cgg集电极中频电流幅度输入信号电压幅度(6.2―6)称其为混频跨导，其值等于基波跨导的一半。在忽略晶体管输出阻抗的情况下，经集电极带通滤波器的滤波，取出中频电压cosicLsmiugRUt(6.2―7)第6章混频这里RL为LC并联谐振回路的有载谐振阻抗。中频输出电压的幅度imcLcmUgRU(6.2―8)若输入信号us是普通调幅波，即us=Usmo(1+macosΩt)cosωCt。如果带通滤波器的带宽足够，即B2Ω，带内阻抗可近似等于有载谐振阻抗RL。输出的中频电压近似等于ui=gcRLUsmo(1+macosΩt)cosωit。它仍然是AM调幅波,但载波频率变成了ωi第6章混频仿照集电极回路的分析方法，三极管混频器的输入回路基极电流iB与输入电压us的关系也可近似写成0()BBisiigtu(6.2―9)其中，iB0为静态时变输入电流(受u1控制)；gi(t)是时变输入电导，把它用傅氏级数展开01121()coscos2iiiigtggtgt(6.2―10)由于混频器输入回路调谐于信号频率fs，因此分析混频器时仅考虑基极电流iB中的信号频率电流000cossisismssmismigugUtIgU(6.2―11)(6.2―12)第6章混频由以上分析可得到晶体三极管混频器的交流等效电路如图6.6所示,据此可导出三极管混频器的电压增益为20ccVcocLLcPcLiggKggggKgg(6.2―13)(6.2―14)功率增益第6章混频图6.6晶体三极管混频器交流等效电路uss准线性放大器iuiIsmgsgio＋－UsmIsgcUsmgocgLIi－＋Uim第6章混频混频跨导gc越大,KVc、KPc越高。gc大小与晶体管参数、本振电压幅度和静态偏置电压有关。图6.7和图6.8分别画出了gc与U1m和EB关系曲线。由图可见，gc与U1m和EB的关系是非线性关系，U1m和EB过大或过小，gc都较小，只有在一段范围内gc较大。第6章混频图6.7g(t)、gc与U1m的关系0tuBEuBEiCg(t)0tgcu11u12u13u1400U1m第6章混频图6.8g(t)、gc与EB的关系0t000g(t)iCuBEuBEEBEB1EB2EB2gc′t第6章混频图6.9给出了混频功率增益KPc和噪声系数NF与Ulm的关系曲线。图6.10给出KPc和NF与静态直流工作点电流IEQ的关系曲线。由图可见，一般锗管U1m选在50~200mV范围内，硅管可取大些。偏置电压EB一般选择在使IEQ等于0.3~1mA的范围内工作比较合适。第6章混频图6.9KPc、NF与U1m的关系010100200300502051015202530NFKPcU1m/mVKPc,NF/dBEC=6VIEQ=1mA第6章混频图6.10KPc、NF与IEQ的关系00.11230.30.251015202530NFKPcIEQ/mAKPc,NF/dBU1m=100mVEC=6V0.5第6章混频图6.11给出了几种常用的三极管混频电路的形式。它们的区别是本振电压注入方式和三极管交流地电位的不同。电路形式(a)的本振电压由基极注入，需要本振提供的功率小，但输入信号对本振的影响较大。电路形式(b)的本振电压由发射极注入，需要本振提供的功率大，但输入信号对本振影响小。电路形式(c)和(d)都是共基极电路，与(a)、(b)电路相比，这种电路工作频率高、稳定性较好。第6章混频图6.11三极管混频电路信号注入形式＋－us＋－u1i(a)＋－us＋－u1i(b)第6章混频图6.11三极管混频电路信号注入形式＋－us＋－u1i(c)＋－us＋－u1i(d)第6章混频图6.12是典型的晶体管收音机混频电路。天空中各种频率的电磁波在天线上感应生成高频电流，经过输入回路选频，取出要收听电台的信号us，从晶体管基极注入。L3和L4组成变压器耦合反馈式本地振荡器，设计L3的值使对中频呈现阻抗很小，所以对中频输出的影响可以忽略。由L5和1000pF电容组成中频回路取出中频电压输出。通常称中频谐振回路及输出部分叫中周变压器。这种电路本地振荡器和混频由同一只晶体管完成，称之为变频电路。第6章混频图6.12晶体管收音机变频电路27k0.01F68k1.5k7/2705/15L1L22200pF7/270pF5/152200pFL31000pFL5L4＋EC22pFui第6章混频图6.13是由两只晶体管分别完成本振与混频的混频电路。本地振荡器是由V2管构成的电感回授式振荡器，本振电压从V1管的射极输入。信号电压经输入选择回路由V1管的基极输入,V1完成混频。中频电压由调谐于465kHz的中周变压器的次级输出。这种结构的混频电路的振荡与混频之间的相互影响比较小，工作稳定，技术指标容易实现。第6章混频图6.13晶体管收音机混频电路50F0.047F6.8k2.7k0.047F1.5k4700FV2300pF7/2705/20f1L32.2k0.01F0.047F2.7kL2V1200pF10kfi＝465kHzui＋ECfs7/2705/20L1第6章混频图6.14是一个差分混频器，这种电路可以用分立元件组成，也可用模拟乘法器组成。由分立元件构成的差分混频器，输入信号频率可高达120MHz，混频增益约30dB。集成模拟乘法器由于其最高工作频率有限，目前多用于中短波范围。第6章混频图6.14差分混频器电路us2.2k1.2ku10.01F1.5VV3V1V2ui＋EC第6章混频6.2.2场效应管混频器与晶体三极管混频相比，由于场效应管具有平方律特性，所以场效应管混频器具有动态范围大，非线性失真小，更适于高频工作的特点。目前应用比较广泛的是双栅场效应管混频器。双栅MOS场效应管简称DGMOS管。它的表示符号与转移特性如图6.15所示。离源极近的栅极叫第一栅极G1，离漏极近的栅极叫第二栅极G2。从转移特性曲线可看出第二栅极电压uG2S的大小可以控制管子的跨导，uG2S越大，双栅场效应管的跨导越大。第6章混频图6.15DGMOS管符号和转移特性G1G2SDDGMOS80706050403020100－3－2－11234－1V1V2V3VuG2S(V)=4VuG1S/ViD/mA第6章混频当用DGMOS管做放大器时，把G2交流接地，可以将G1和漏极D屏蔽起来，从而使管子的漏极到信号输入栅G1间的电容减小到0.03~0.05pF，从而使放大器的工作频率提高。另外，通过改变第二栅极的直流电压可以构成增益可控放大器。利用DGMOS管做混频器时，信号由第一栅极G1输入，本振电压由第二栅极G2注入；通过本振电压对DGMOS管跨导的控制实现混频。DGMOS管的跨导与两个栅极电压的关系