混頻器教學(xué)內(nèi)容

1、張賓賓第一頁，共45頁。第二頁，共45頁。3.1 3.1 引引 言言 混頻器（混頻器（mixer）是通信系統(tǒng)）是通信系統(tǒng)(xtng)的重要組成部分，的重要組成部分，用于在所有的射頻和微波系統(tǒng)用于在所有的射頻和微波系統(tǒng)(xtng)進行頻率變換。進行頻率變換。這種頻率變換應(yīng)該是不失真的，原載頻已調(diào)波的調(diào)制方這種頻率變換應(yīng)該是不失真的，原載頻已調(diào)波的調(diào)制方式和所攜帶的信息不變。式和所攜帶的信息不變。 在發(fā)射系統(tǒng)在發(fā)射系統(tǒng)(xtng)中，混頻器用于上變頻；在接收系統(tǒng)中，混頻器用于上變頻；在接收系統(tǒng)(xtng)中一般用作下變中一般用作下變 頻。頻。第三頁，共45頁?；祛l器是一種頻率變換器件，理想混頻器是

2、一種頻率變換器件，理想(lxing)混頻器是混頻器是把兩輸入信號在時域中相乘：把兩輸入信號在時域中相乘： )cos()cos(2coscos ABBA和頻，上變頻和頻，上變頻差頻，下變頻差頻，下變頻取出和頻為上變頻（取出和頻為上變頻（Up-conversion）；）；取出差頻為下變頻（取出差頻為下變頻（Down-conversion）必須通過濾波器濾除不需要必須通過濾波器濾除不需要(xyo)的頻率成分。的頻率成分。 3.2 3.2 混頻混頻(hn pn)(hn pn)原原理理 第四頁，共45頁。混頻器為三端口器件?；祛l器為三端口器件。混頻器有兩個輸入混頻器有兩個輸入(shr)端：分別為射頻（端

3、：分別為射頻（RF）與本振（）與本振（LO, Local Oscillator）信號，一個輸出端：中頻（）信號，一個輸出端：中頻（IF, Intermediate Frequency）。）。中頻頻率中頻頻率fI可以有兩種關(guān)系式表達可以有兩種關(guān)系式表達 RLIfff )()(RLLRRLRLRLIfffffffffff上變頻上變頻下變頻下變頻3.2 3.2 混頻混頻(hn pn)(hn pn)原理原理 3.2.2 3.2.2 混頻混頻(hn pn)(hn pn)原理原理( (時域時域) ) 第五頁，共45頁。從頻域角度來看，混頻從頻域角度來看，混頻(hn pn)是一種頻譜的線性搬移，是一種頻譜的

4、線性搬移，輸出輸出IF與輸入與輸入RF的頻譜結(jié)構(gòu)相同。的頻譜結(jié)構(gòu)相同。 射頻射頻(sh pn)信號信號本振信號本振信號(xnho)混頻輸出混頻輸出3.2 混頻原理混頻原理 3.2.2 混頻原理混頻原理(頻域頻域) 第六頁，共45頁。nnnnuuauuauuauuaauauauauaaufi)()()()()(21321322122110332210!)()(!1)(nUfduufdnaQnUunnnQmmnnmnuumnmnuu21021)!( !)(二極管或三極管等電路的非線性特性可以用冪級數(shù)來表示。二極管或三極管等電路的非線性特性可以用冪級數(shù)來表示。當輸入端同時當輸入端同時(tngsh)作

5、用著兩個輸入電壓時，其表示式為：作用著兩個輸入電壓時，其表示式為： 其中其中(qzhng)0210)!( !nmmnnnmuuamnmni當當m=1,n=2,有有i = 2a2u1u23.2 混頻原理混頻原理非線性電路非線性電路(dinl)的混的混頻功能頻功能第七頁，共45頁。把把i = f (UQ + u1 + u2)在在(UQ + u1)上對上對 u2 Taylor展開展開(zhn ki)221 21121)(! 21)()()(uuUfuuUfuUfuuUfiQQQQ若若u2足夠足夠(zgu)小，簡化小，簡化為為 211)()(uuUfuUfiQQ2110)()(uuguI i與與u2是

6、線性關(guān)系，但它們的系數(shù)是線性關(guān)系，但它們的系數(shù)(xsh)是時是時變，即線性時變工作狀態(tài)。變，即線性時變工作狀態(tài)。 3.2.2 混頻原理混頻原理 線性時變工作狀態(tài)下的混頻器線性時變工作狀態(tài)下的混頻器第八頁，共45頁。當當u1 = U1mcos1t 時，時，u2=U2mcos2t時，時，g(u1)將是將是角頻率為角頻率為1的周期性函數(shù)的周期性函數(shù)(hnsh)，F(xiàn)ourier級數(shù)展開式級數(shù)展開式為為 tgtggtUgugm121101112coscos)cos()(代入電流代入電流(dinli)表達式表達式 i = i0(u1) +g(u1)u2，得，得ttUgttUgtUgtItIItUtgtgg

7、tItIIimmmmmmmm2122212122012110221211012110cos2coscoscoscos2coscoscos)2coscos()2coscos( 3.2.2 混頻混頻(hn pn)原理原理 線性時變工作狀態(tài)下的混頻線性時變工作狀態(tài)下的混頻(hn pn)器器第九頁，共45頁。線性時變工作時產(chǎn)生的組合線性時變工作時產(chǎn)生的組合(zh)頻率分量的頻率通頻率分量的頻率通式為式為|p12| ;當兩個信號當兩個信號u1和和u2同時作用于一個非線性電路時，若同時作用于一個非線性電路時，若u1的幅度足夠大，的幅度足夠大，u2的幅度足夠小，則輸出電流的幅度足夠小，則輸出電流i與與u2成

8、線性關(guān)系，而系數(shù)成線性關(guān)系，而系數(shù)g1(u1)為時變參量，這種工作狀態(tài)為時變參量，這種工作狀態(tài)為線性工作狀態(tài)，而為線性工作狀態(tài)，而u1為時變控制信號。在下面討論為時變控制信號。在下面討論的所有混頻器電路中，都設(shè)計成這種工作狀態(tài)。的所有混頻器電路中，都設(shè)計成這種工作狀態(tài)。3.2 混頻原理混頻原理線性時變線性時變(sh bin)工作狀態(tài)下的工作狀態(tài)下的混頻器混頻器第十頁，共45頁。鏡像頻率鏡像頻率(pnl)（Images） 即使是理想的下混頻器，若有一個射頻輸入信號即使是理想的下混頻器，若有一個射頻輸入信號fR和一個干擾信號和一個干擾信號fIMG = fR 2fI，與本振混頻后可，與本振混頻后可能

9、產(chǎn)生頻率相同能產(chǎn)生頻率相同(xin tn)的中頻信號：的中頻信號： fL - fR = fI = fIMG - fL 上式中產(chǎn)生兩個中頻信號上式中產(chǎn)生兩個中頻信號(xnho)，由干擾信號，由干擾信號(xnho)所產(chǎn)生的中頻所產(chǎn)生的中頻信號信號(xnho)稱為鏡頻，用稱為鏡頻，用fIMG表示。表示。 3.3混頻失真與干擾混頻失真與干擾3.3.1 失真與干擾的種類失真與干擾的種類第十一頁，共45頁。輸入到混頻器的射頻輸入到混頻器的射頻(sh pn)信號信號與鏡頻干擾信號頻譜與鏡頻干擾信號頻譜本振信號本振信號(xnho)頻譜頻譜混頻混頻(hn pn)結(jié)果結(jié)果 3.3混頻失真與干擾混頻失真與干擾鏡像頻

10、率的產(chǎn)生鏡像頻率的產(chǎn)生第十二頁，共45頁。3.3 混頻失真混頻失真(sh zhn)與干擾與干擾互相調(diào)制（互相調(diào)制（Inter Modulation）當射頻輸入端口有多個干擾信號當射頻輸入端口有多個干擾信號fm1、fm2同時進入時，同時進入時，每個干擾信號與本振作用的組合頻率并不等于中頻，但每個干擾信號與本振作用的組合頻率并不等于中頻，但可能會產(chǎn)生可能會產(chǎn)生(chnshng)如下式的組合頻率分量：如下式的組合頻率分量：IFLOmmffsfrf)(21這些頻率分量使混頻器的輸出這些頻率分量使混頻器的輸出(shch)中頻失真。中頻失真。它是由非線性器件的它是由非線性器件的(r+s+1)次方產(chǎn)生的。與

11、線性次方產(chǎn)生的。與線性放大器一樣，這種由兩個干擾信號互相作用而產(chǎn)放大器一樣，這種由兩個干擾信號互相作用而產(chǎn)生的干擾稱為互調(diào)失真生的干擾稱為互調(diào)失真第十三頁，共45頁。第十四頁，共45頁。射頻信號與本振的組合頻率射頻信號與本振的組合頻率 f = pfL qfR，n = p + q， 若組合頻率接近接收中頻附近若組合頻率接近接收中頻附近(fjn)，就會對接收機產(chǎn)，就會對接收機產(chǎn)生干擾。生干擾。這類干擾是指在本振或是在射頻信號頻率上下對稱分布。這類干擾是指在本振或是在射頻信號頻率上下對稱分布。影響最大的是三階組合干擾頻率，即影響最大的是三階組合干擾頻率，即fL 2fR 或或2fL fR。產(chǎn)生這種干擾

12、的原因是混頻器的非線性或由于本振信號產(chǎn)生這種干擾的原因是混頻器的非線性或由于本振信號的頻譜不純，含有豐富的諧波成份，產(chǎn)生了這種組合頻的頻譜不純，含有豐富的諧波成份，產(chǎn)生了這種組合頻率的干擾。率的干擾。3.3混頻失真與干擾混頻失真與干擾本振和射頻的組合本振和射頻的組合(zh)頻率干擾頻率干擾第十五頁，共45頁。Lff 理想理想(lxing)振振蕩器輸出頻蕩器輸出頻譜譜實際實際(shj)振蕩器輸出振蕩器輸出頻譜頻譜互易混頻互易混頻(hn pn)輸出頻譜輸出頻譜3.3混頻失真與干擾混頻失真與干擾互易混頻（互易混頻（Reciprocal Mixing）fRfIfRfLfI第十六頁，共45頁。第十七頁，

13、共45頁。變頻增益變頻增益(zngy)或損耗（或損耗（Conversion Gain or Loss） 變頻壓縮點（變頻壓縮點（Conversion compression）三階互調(diào)阻斷點（三階互調(diào)阻斷點（IP3, Third Order Intercept Point） 端口隔離度（端口隔離度（LO與與RF，LO與與IF，RF與與IF） 3.4 混頻器的主要混頻器的主要(zhyo)指標指標第十八頁，共45頁。 混頻器的變頻增益混頻器的變頻增益Gc定義為在本振功率定義為在本振功率PLO不變的不變的 情況情況(qngkung)下，負載獲得的最大中頻功率下，負載獲得的最大中頻功率PIF與射頻輸入與

14、射頻輸入 功率功率PRF之比的對數(shù)，即之比的對數(shù)，即 )()()(log10dBWPWPGLOPRFIFc常常數(shù)數(shù) 若變頻增益若變頻增益Gc 0，則混頻器有增益；反之，則混頻器有增益；反之(fnzh)為損耗。為損耗。3.4混頻器的主要指標混頻器的主要指標變頻增益變頻增益(zngy)或損耗或損耗（Conversion Gain or Loss） 第十九頁，共45頁。變頻壓縮是指本振功率變頻壓縮是指本振功率(gngl)不變，中頻輸出功率不變，中頻輸出功率(gngl)隨著射頻輸入功率隨著射頻輸入功率(gngl)的增長而線性增加，的增長而線性增加，其轉(zhuǎn)換增益為常數(shù)。其轉(zhuǎn)換增益為常數(shù)。3.4混頻器的主要

15、混頻器的主要(zhyo)指標指標變頻壓縮（變頻壓縮（Conversion compression）第二十頁，共45頁?；祛l器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，混頻器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其它端口的功率與輸入功率之比，單位為漏到其它端口的功率與輸入功率之比，單位為dB。泄露形成泄露形成(xngchng)原因是混頻器內(nèi)部電路的原因是混頻器內(nèi)部電路的不對稱性不對稱性3.4混頻器的主要混頻器的主要(zhyo)指標指標隔離度隔離度

16、第二十一頁，共45頁。三階互調(diào)阻斷點是一個理論上的外推值，是表征三階互調(diào)阻斷點是一個理論上的外推值，是表征(bio zhn)混頻器線性性能的重要指標混頻器線性性能的重要指標 。3.4混頻器的主要混頻器的主要(zhyo)指標指標三階互三階互調(diào)阻斷點調(diào)阻斷點(IP3, Third Order Intercept Point)它是由混頻器非線性特性中的三次方項產(chǎn)生的它是由混頻器非線性特性中的三次方項產(chǎn)生的2f1-f2或或2f2-f1組合組合(zh)干擾頻率信號，再與本振混頻干擾頻率信號，再與本振混頻后位于中頻帶內(nèi)的干擾，當三階互調(diào)干擾分量增長后位于中頻帶內(nèi)的干擾，當三階互調(diào)干擾分量增長到和中頻基波分

17、量相等時，混頻器輸入信號稱為混到和中頻基波分量相等時，混頻器輸入信號稱為混頻器的輸入頻器的輸入IP3。IP3越大，則表明混頻器的線性動態(tài)范圍越寬，本越大，則表明混頻器的線性動態(tài)范圍越寬，本振功率不同，振功率不同，IP3的值也不同。通?；祛l器產(chǎn)品的的值也不同。通?；祛l器產(chǎn)品的IP3指標是規(guī)定在標準本振功率下的參數(shù)指標是規(guī)定在標準本振功率下的參數(shù)第二十二頁，共45頁。PRF(dBm)PIF(dBm)三階互調(diào)產(chǎn)物3:1IP3IIP3OIP3所需線性信號1:1IP3是規(guī)定是規(guī)定(gudng)在在標準標準本振功率下的參數(shù)。本振功率下的參數(shù)。3.4混頻器的主要指標混頻器的主要指標三階三階(sn ji)互互

18、調(diào)阻斷點調(diào)阻斷點(IP3, Third Order Intercept Point)第二十三頁，共45頁。LO與與RF、LO與與IF、RF與與IF之間的隔離之間的隔離(gl);表表3.4.1典型典型(dinxng)的混頻器主的混頻器主要參數(shù)要參數(shù)阻抗阻抗34混頻器的主要混頻器的主要(zhyo)指標指標端口端口隔離度隔離度第二十四頁，共45頁。 下混頻器都設(shè)計成為下混頻器都設(shè)計成為(chngwi)線性時變工作狀態(tài)。線性時變工作狀態(tài)。 混頻電路類型混頻電路類型 I. 無源混頻器無源混頻器 1) 單二極管混頻電路單二極管混頻電路 2) 二極管平衡混頻電路二極管平衡混頻電路 3) 雙平衡類型的二極管環(huán)

19、形混頻器雙平衡類型的二極管環(huán)形混頻器 II. 有源混頻器有源混頻器 1) 三極管混頻電路三極管混頻電路 2) 單平衡混頻電路單平衡混頻電路 3) 吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻電路混頻電路 35混頻器電路混頻器電路(dinl)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 第二十五頁，共45頁。第二十六頁，共45頁。二極管的大信號開關(guān)工作二極管的大信號開關(guān)工作(gngzu)狀態(tài)狀態(tài) 單二極管混頻單二極管混頻(hn pn)電路電路 3.5.1 無源無源(w yun)混頻器混頻器第二十七頁，共45頁。 加在二極管上的信號電壓幅度足夠大，二極管的伏安加在二極管上的信號電壓幅度足夠大，二極管的伏安(f n)特性可

20、近似用從原點出發(fā)的斜直線表示特性可近似用從原點出發(fā)的斜直線表示cosmvVtmDDD1Dcos 220 2 ()VttRitviKtR則 即NoImage1122,()cos()cos(3).,23Kttt其中為單向開關(guān)函數(shù)二極管開關(guān)工作二極管開關(guān)工作(gngzu)狀態(tài)狀態(tài) 3.5.1 無源混頻器無源混頻器第二十八頁，共45頁。3cos32cos221)cos()()cos(1tttRRUtKRRtUiLLRLDRmLLDRRmD流經(jīng)二極管的電流流經(jīng)二極管的電流(dinli)iD為為RF直通直通| pfLfR | |fR fL|3.5.1無源無源(w yun)混頻器混頻器tURRtiLORFR

21、mLDIF)cos(11)(第二十九頁，共45頁。 優(yōu)點：優(yōu)點： 電路簡單電路簡單 缺點缺點(qudin)： 1) 如果在射頻輸入信號含有直流分量如果在射頻輸入信號含有直流分量 ，本振，本振信號直接饋通到輸出端信號直接饋通到輸出端; 2) 輸出頻譜十分豐富，不能提供任何隔離，輸出頻譜十分豐富，不能提供任何隔離，也不能提供混頻增益。除了產(chǎn)生所需的混頻也不能提供混頻增益。除了產(chǎn)生所需的混頻結(jié)果外，還含有大量的組合頻率分量。結(jié)果外，還含有大量的組合頻率分量。3.5.1 無源無源(w yun)混頻器混頻器第三十頁，共45頁。例例3.5.1求二極管平衡混頻器輸出的中頻求二極管平衡混頻器輸出的中頻(zhn

22、gpn)電電壓壓uo表達式，設(shè)本振電壓足夠大，即表達式，設(shè)本振電壓足夠大，即ULmURm。二極管平衡混頻二極管平衡混頻(hn pn)電路電路3.5.1 無源無源(w yun)混頻器混頻器第三十一頁，共45頁。例例3.5.2二極管環(huán)形二極管環(huán)形(hun xn)混頻器電路如圖所示，設(shè)本振混頻器電路如圖所示，設(shè)本振電壓足夠大，即電壓足夠大，即ULm URm。求求: 輸出電壓輸出電壓uo (t)表達式。表達式。 二極管平衡二極管平衡(pnghng)混頻電路混頻電路3.5.1 無源無源(w yun)混頻器混頻器第三十二頁，共45頁。 有源混頻器的應(yīng)用更為廣泛，特別是在射頻集成電路有源混頻器的應(yīng)用更為廣泛

23、，特別是在射頻集成電路（RFIC）中。）中。 可以提供混頻增益，采用有源平衡非平衡轉(zhuǎn)換電路，易可以提供混頻增益，采用有源平衡非平衡轉(zhuǎn)換電路，易于集成。于集成。 在有源混頻器中，通常把射頻電壓轉(zhuǎn)成電流信號，本振開在有源混頻器中，通常把射頻電壓轉(zhuǎn)成電流信號，本振開關(guān)控制電流信號。關(guān)控制電流信號。 優(yōu)點：優(yōu)點： 1) 通過端接適當負載，可以獲得一定的電壓增益；通過端接適當負載，可以獲得一定的電壓增益； 2) 對本振的振幅要求降低對本振的振幅要求降低(jingd)； 3) 端口的隔離度更好，更適于低電壓工作。端口的隔離度更好，更適于低電壓工作。 缺點：缺點： 需要一定的偏置電流，帶來了直流功耗和射頻電

24、壓的直需要一定的偏置電流，帶來了直流功耗和射頻電壓的直流分量，線性度也受到了限制。流分量，線性度也受到了限制。3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十三頁，共45頁。單管混頻器單管混頻器電路電路(dinl)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單開關(guān)采樣單開關(guān)采樣電路電路(dinl)實現(xiàn)實現(xiàn)混頻功能混頻功能 三極管混頻三極管混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十四頁，共45頁。即由于該混頻管和轉(zhuǎn)移特性曲線具有良好的平方律即由于該混頻管和轉(zhuǎn)移特性曲線具有良好的平方律特點，因此特點，因此(ync)a1a2，a3a2，上述關(guān)系式可近似簡，上述關(guān)系式可近似簡化為化為ica0+a2u2be。 三極管混頻三極管

25、混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十五頁，共45頁。 tAtUtUAAuuuuaauuaaiRLILLmRRmLRLRLRc)cos(2cos2cos2)(22202220220把把ube = uR + uL = URmcosRt + ULmcosLt，代入，代入ic ube 近似近似(jn s)關(guān)系可得關(guān)系可得tUgtUUatAiIRmmcRLLmRmRLIIcos)cos()cos(2|2RLILmmcUag變頻變頻(bin pn)跨導(dǎo)跨導(dǎo)三極管混頻三極管混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十六頁，共45頁。三極管單平衡混頻三極管單平衡

26、混頻(hn pn)電路（電路（SBM , Single Balanced Mixer） 3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十七頁，共45頁。3cos31cos4)cos()()cos()(2tttUtKtUtULLRRmLRRmLo)cos()cos(2ttULRLRRm本振信號本振信號(xnho)的開關(guān)函數(shù)為雙向開關(guān)函數(shù)的開關(guān)函數(shù)為雙向開關(guān)函數(shù)K2(Lt)。單平衡混頻器輸出電壓為：單平衡混頻器輸出電壓為：其中其中(qzhng)二次乘積項為二次乘積項為 無直流饋通無直流饋通|R R p p L L| | 單平衡混頻單平衡混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十八頁，共

27、45頁。吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第三十九頁，共45頁。TLCTLCCCCCCCCCoutUuiUuiiiiiiiiii2tanh2tanh)()()()(2156436453輸出輸出(shch)電流為電流為 TRTLEEoutUuUuIi2tanh2tanh吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻混頻(hn pn)電路電路3.5.2 有有源混頻器源混頻器第四十頁，共45頁。 在接收機的設(shè)計中，理想情況下前級電路輸出阻在接收機的設(shè)計中，理想情況下前級電路輸出阻抗抗(zkng)和后級電路的輸入

28、阻抗和后級電路的輸入阻抗(zkng)相等；相等； 實際情況中往往前后級電路間的阻抗實際情況中往往前后級電路間的阻抗(zkng)不不匹配；匹配； 噪聲系數(shù)級聯(lián)公式中的功率增益與電壓增益不等，噪聲系數(shù)級聯(lián)公式中的功率增益與電壓增益不等，需要重新計算功率增益。需要重新計算功率增益。3.6 混頻器的級聯(lián)混頻器的級聯(lián)3.6.1 帶混頻器的級聯(lián)系統(tǒng)帶混頻器的級聯(lián)系統(tǒng)(xtng)噪聲系噪聲系數(shù)的計算數(shù)的計算第四十一頁，共45頁。 混頻器與負載（通常為濾波器）連接時，可以直接混頻器與負載（通常為濾波器）連接時，可以直接(zhji)連接；連接； 若對隔離或負載阻抗的匹配有要求，可以對混頻器端若對隔離或負載阻抗的匹配有要求，可以對混頻器端接。接。 基極放大器，輸入基極放大器，輸入(shr)阻抗阻抗Zin = 1/gm 共集組態(tài)共集組態(tài)(z ti)，