第六章混頻器3-1

1、第六章第六章 混頻器混頻器6.1 6.1 混頻器概述混頻器概述 發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)上上混頻器混頻器將已調(diào)制中頻信號(hào)搬移到射頻將已調(diào)制中頻信號(hào)搬移到射頻接收機(jī)接收機(jī)下下混頻器混頻器將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻本振信號(hào)本振信號(hào)： tVtvLOLOLOcos)(射頻信號(hào)射頻信號(hào)： tVvRFRFRFcos相乘得相乘得： ttVVvvLORFLORFRFLORFLOcoscos21基本方法基本方法：乘法器乘法器濾波器濾波器非線性器件非線性器件濾波器濾波器中頻濾波器中頻濾波器調(diào)幅調(diào)幅接收機(jī)接收機(jī)混頻器的結(jié)構(gòu)框圖混頻器的結(jié)構(gòu)框圖 混頻器結(jié)構(gòu)：三個(gè)端口混頻器結(jié)構(gòu)：三個(gè)端口輸入輸入信號(hào)、

2、信號(hào)、本振本振信號(hào)、信號(hào)、中頻中頻信號(hào)信號(hào)時(shí)域時(shí)域特性特性輸出、輸入輸出、輸入波形波形相同、載頻不同相同、載頻不同 混頻本質(zhì)混頻本質(zhì)線性頻譜搬移線性頻譜搬移頻域頻域特性特性輸出、輸入輸出、輸入頻譜結(jié)構(gòu)、頻譜結(jié)構(gòu)、帶寬帶寬相同，相同， 載頻不同載頻不同混頻電路的實(shí)現(xiàn)混頻電路的實(shí)現(xiàn)1. 乘法器乘法器2. 非線性器件非線性器件雙極晶體管雙極晶體管場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管二極管二極管為減少組合頻率分量為減少組合頻率分量工作于工作于線性時(shí)變狀態(tài)線性時(shí)變狀態(tài)混頻器的混頻器的主要指標(biāo)主要指標(biāo) 增益增益 10 dB NF 12 dB IIP3 +5 dBm 輸入阻抗輸入阻抗 50口間隔離口間隔離 10 20 dB 變

3、頻變頻增益增益 =輸出輸出中頻中頻輸入輸入射頻射頻1. 增益增益射頻口射頻口阻抗阻抗中頻口中頻口阻抗阻抗按按增益增益劃分混頻器劃分混頻器有源有源混頻器混頻器增益大于增益大于1無源無源混頻器混頻器增益小于增益小于1電壓增益電壓增益功率增益功率增益RFIFVVVA RFIFPPPG 兩者關(guān)系？?jī)烧哧P(guān)系？LSVSRFLIFRFIFPRRARVRVPPG222/2. 噪聲噪聲討論混頻器噪聲的意義討論混頻器噪聲的意義接收機(jī)前端，對(duì)系統(tǒng)噪聲影響大接收機(jī)前端，對(duì)系統(tǒng)噪聲影響大對(duì)射頻而言是線性，可用線性網(wǎng)絡(luò)對(duì)射頻而言是線性，可用線性網(wǎng)絡(luò)噪聲計(jì)算公式噪聲計(jì)算公式混頻器的噪聲來源混頻器的噪聲來源電路器件噪聲電路器

4、件噪聲兩個(gè)輸入噪聲兩個(gè)輸入噪聲射頻輸入射頻輸入本振輸入本振輸入混頻器的輸出噪聲混頻器的輸出噪聲位于中頻段位于中頻段頻譜搬移頻譜搬移低噪放低噪放 F1、G1帶通濾波器帶通濾波器 F2、G2混頻器混頻器F3、G332111211FFFFGG G混頻器的混頻器的單邊噪聲單邊噪聲和和雙邊噪聲雙邊噪聲 討論射頻噪聲的搬移討論射頻噪聲的搬移單邊單邊噪聲噪聲 射頻信號(hào)位于本振的一邊射頻信號(hào)位于本振的一邊 被搬移到被搬移到中頻中頻的噪聲的噪聲射頻射頻信號(hào)段信號(hào)段鏡像鏡像頻段頻段雙邊雙邊噪聲噪聲射頻信號(hào)位于本振的兩邊射頻信號(hào)位于本振的兩邊不存在鏡像頻率（如零中頻方案）不存在鏡像頻率（如零中頻方案）單邊單邊噪聲是

5、噪聲是雙邊雙邊的兩倍的兩倍（高（高3dB）非線性非線性 器件器件本振本振 中頻中頻濾波器濾波器RFfIFfIFf3. 失真失真混頻混頻頻譜線性搬移頻譜線性搬移非線性器件非線性器件平方項(xiàng)平方項(xiàng)非線性器件非線性器件高次方項(xiàng)高次方項(xiàng)產(chǎn)生組合頻率產(chǎn)生組合頻率干擾、失真干擾、失真（1）干擾哨聲）干擾哨聲特征：接收機(jī)音頻出現(xiàn)哨叫特征：接收機(jī)音頻出現(xiàn)哨叫混頻輸入：混頻輸入：僅有僅有有用射頻有用射頻RFfIFfF付波道付波道中頻中頻 主中頻主中頻付波道中頻付波道中頻進(jìn)入檢波（解調(diào)）進(jìn)入檢波（解調(diào)）形成形成哨叫哨叫主主中頻：中頻：LORFIFfff（二次方項(xiàng)二次方項(xiàng)）組合組合頻率頻率RFLOpfqfnpq（ 次

6、方項(xiàng)次方項(xiàng) ）（2）寄生通道干擾）寄生通道干擾非線性非線性 器件器件本振本振 中頻中頻濾波器濾波器RFfIFfIFf主主中頻：中頻：LORFIFfff干擾信號(hào)與本振的組合頻率干擾信號(hào)與本振的組合頻率LOmqfpfIFf寄生通道干擾寄生通道干擾最最主要主要的寄生通道干擾的寄生通道干擾1, 0pq 鏡像鏡像頻率干擾頻率干擾IFLOmfffRFfLOfmf特征：輸入伴有特征：輸入伴有干擾信號(hào)干擾信號(hào)mf1, 1pq變換能力與主中頻一樣變換能力與主中頻一樣2npq 中頻干擾中頻干擾IFmff直通直通不需要混頻不需要混頻變換能力最強(qiáng)變換能力最強(qiáng)靠得靠得最近最近的干擾（半中頻干擾）的干擾（半中頻干擾） R

7、FfLOf2RFLOmfffLOmqfpf2,2qp22222LORFLOmLOIFffffff4npq變換能力：變換能力： 由非線性器件的由非線性器件的4次方引起次方引起 mf0IFf三種比較主要的寄生通道干擾三種比較主要的寄生通道干擾見圖見圖（3 3）互調(diào)失真）互調(diào)失真非線性非線性 器件器件本振本振 中頻中頻濾波器濾波器RFfIFfIFf特征：輸入端伴有多個(gè)干擾信號(hào)特征：輸入端伴有多個(gè)干擾信號(hào)1mf2mf但是當(dāng)?shù)钱?dāng)組合頻率組合頻率11()mmRFrfsff每個(gè)干擾和本振混頻每個(gè)干擾和本振混頻1LOmIFqfpff2LOmIFqfpff由非線性器件的由非線性器件的 次方項(xiàng)次方項(xiàng) 產(chǎn)生產(chǎn)生1

8、nrs IFLOmmffsfrf)(11互調(diào)干擾互調(diào)干擾稱稱 三階互調(diào)三階互調(diào) 3 sr4n 滿足滿足RFmmfff212或或RFmmfff1224. 線性范圍線性范圍問題問題:混頻是一種非線性功能，為什么有混頻是一種非線性功能，為什么有“線性線性”指標(biāo)？指標(biāo)？混頻混頻射頻射頻本振本振中頻中頻混頻器的混頻器的非線性非線性 輸出、輸入輸出、輸入頻率不同頻率不同混頻器的混頻器的線性線性 輸出輸出中頻中頻幅度幅度 輸入輸入射頻射頻幅度幅度 成正比成正比線性指標(biāo)線性指標(biāo)變頻增益變頻增益下降下降1-dB1-dB時(shí)相應(yīng)的輸入（或輸出）功率值時(shí)相應(yīng)的輸入（或輸出）功率值 （1 1） 1-dB 1-dB 壓縮

9、點(diǎn)壓縮點(diǎn)（2 2）三階互調(diào)截點(diǎn)）三階互調(diào)截點(diǎn)混頻混頻射頻射頻本振本振中頻中頻1RFf2RFfRFf輸入信號(hào)輸入信號(hào)有用有用信號(hào)信號(hào)RFf1RFf2RFf干擾干擾信號(hào)信號(hào)（設(shè)輸入信號(hào)幅度相同）（設(shè)輸入信號(hào)幅度相同）互調(diào)互調(diào)信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)產(chǎn)生 的中頻的中頻 12(2)RFRFLOIFffff主主中頻中頻LORFIFfff幅度相等，三階截點(diǎn)幅度相等，三階截點(diǎn)截點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入、輸出截點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入、輸出（3）線性動(dòng)態(tài)范圍）線性動(dòng)態(tài)范圍定義：定義：1-dB 1-dB 壓縮點(diǎn)與混頻器的噪聲基底之比，用壓縮點(diǎn)與混頻器的噪聲基底之比，用dBdB表示表示混頻器位于低噪放后，因此對(duì)它線性范圍要求比低噪放高混頻器位于低噪

10、放后，因此對(duì)它線性范圍要求比低噪放高5. 口間隔離口間隔離射頻口射頻口本振口本振口中頻口中頻口本振泄漏本振泄漏影響影響LNA天線輻射天線輻射頻率頻率牽引牽引強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)信號(hào)堵塞堵塞射頻口射頻口 中頻口中頻口一般情況一般情況射頻射頻中頻，被濾除中頻，被濾除零中頻方案時(shí)零中頻方案時(shí)低噪放的偶次諧波失真會(huì)竄入中頻低噪放的偶次諧波失真會(huì)竄入中頻零中頻零中頻方案中，射頻口方案中，射頻口 中頻口的影響中頻口的影響信號(hào)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)頻率相近頻率相近tVtv111cos)(tVtv222cos)(射頻輸入為：射頻輸入為：)()()()(21tvtvtvtvRF設(shè)設(shè)LNA特性為：特性為：)()()(221tvatvati

11、偶次方偶次方項(xiàng)產(chǎn)生的項(xiàng)產(chǎn)生的差拍差拍 )cos(21212VVa差拍信號(hào)從射頻口差拍信號(hào)從射頻口 中頻口中頻口干擾干擾直通泄漏直通泄漏6. 阻抗匹配阻抗匹配混頻器混頻器低噪放低噪放中頻中頻濾波器濾波器本振源本振源對(duì)混頻器三個(gè)口對(duì)混頻器三個(gè)口 的的阻抗要求阻抗要求 匹配匹配最佳傳輸最佳傳輸 每個(gè)口對(duì)每個(gè)口對(duì)另外另外兩個(gè)口的信號(hào)兩個(gè)口的信號(hào) 力求短路力求短路 減少口間干擾減少口間干擾6. 2 6. 2 有源混頻器電路有源混頻器電路用雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成用雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成特征特征:混頻增益混頻增益 16.2.1 6.2.1 單管跨導(dǎo)型混頻器單管跨導(dǎo)型混頻器1. 工作原理工作原理直流電

12、源直流電源和偏置和偏置射頻輸入射頻輸入和和本振本振中頻輸出中頻輸出原理電路原理電路（1）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)線性時(shí)變線性時(shí)變 線性時(shí)變必須線性時(shí)變必須滿足的條件：滿足的條件：)()()(tvtvVtvRFLOGGGStVtvRFRFRFcos)(tVtvLOLOLOcos)(兩個(gè)輸入：兩個(gè)輸入：RFLOVV一大一小一大一小，且且 分析線性時(shí)變的兩要素分析線性時(shí)變的兩要素（a）時(shí)變）時(shí)變時(shí)變偏置引出時(shí)變偏置引出時(shí)變跨導(dǎo)時(shí)變跨導(dǎo))()(tvVtVLOGGGSQ時(shí)變偏置：時(shí)變偏置：.)()(2210tVvatVvaaiGSQGSGSQGSD在時(shí)變工作點(diǎn)展開在時(shí)變工作點(diǎn)展開Di.2210RFRFDvav

13、aai代入代入時(shí)變跨導(dǎo)富氏展開：時(shí)變跨導(dǎo)富氏展開：.2coscos)(210tgtggtgLOmLOmmm重復(fù)頻率為重復(fù)頻率為L(zhǎng)OtdtggLOmm)(210ttditggLOLOmmicos)(1.2210RFRFDvavaai展開式展開式系數(shù)隨系數(shù)隨時(shí)變偏置時(shí)變偏置而而時(shí)變時(shí)變.)()()(2210RFRFDvtavtatai時(shí)變頻率時(shí)變頻率與與時(shí)變偏置時(shí)變偏置中的中的 相同相同LO時(shí)變跨導(dǎo)：時(shí)變跨導(dǎo)：)(tgm)(1ta（b）線性）線性小信號(hào)與時(shí)變跨導(dǎo)相乘引出頻譜線性搬移小信號(hào)與時(shí)變跨導(dǎo)相乘引出頻譜線性搬移)()()(0tvtgtIiRFmDD漏極輸出電流漏極輸出電流條件：小信號(hào)條件：小

14、信號(hào)相乘相乘1( )( )mRFgtvt()RFLO()RFLO定義：定義：變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo)121mRFIFfcgVIg時(shí)變跨導(dǎo)基波分量的一半時(shí)變跨導(dǎo)基波分量的一半輸出中頻電壓輸出中頻電壓11( )cos2IFmLRFIFvtg RVt1111( )cos()cos22IFmRFRFLOmRFIFitgVtgVt濾波濾波，得中頻電流，得中頻電流變頻增益變頻增益LfcRFRFLmRFIFvRgVVRgVVA/211IFDi（2）變頻跨導(dǎo)的求法）變頻跨導(dǎo)的求法已知器件的已知器件的伏安特性曲線伏安特性曲線 GSDvi根據(jù)根據(jù)跨導(dǎo)的定義跨導(dǎo)的定義 GSDmdvdig求出器件的求出器件的 關(guān)系曲線關(guān)系曲

15、線 GSmvg 代入混頻器的代入混頻器的時(shí)變偏置時(shí)變偏置 )()(tvVtvLOGGGSGGV( )LOvt變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo) 112fcmgg 通過曲線通過曲線 畫出畫出時(shí)變跨導(dǎo)的波形時(shí)變跨導(dǎo)的波形 GSmvg)(tgm 分析分析變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo)與與本振幅度本振幅度 的關(guān)系的關(guān)系LOV1max2mmgg的基波分量最大的基波分量最大)(tgm變頻跨導(dǎo)的最大值變頻跨導(dǎo)的最大值 max1fcmgg變?yōu)樽優(yōu)榉讲ǚ讲?(tgmmax1( )()mmLOgtgSt 對(duì)對(duì) 富氏級(jí)數(shù)分解富氏級(jí)數(shù)分解 求出求出基波分量幅度基波分量幅度 )(tgm1mg2. 設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)考慮（1 1）RF口和口和LO口的設(shè)計(jì)口的

16、設(shè)計(jì) 隔直流電容隔直流電容匹配匹配問題：?jiǎn)栴}： RF口和口和LO口同接在柵極口同接在柵極 管子輸入端管子輸入端與誰匹配？與誰匹配？主要考慮與主要考慮與RF口前低噪放口前低噪放 匹配匹配保證小信號(hào)傳輸保證小信號(hào)傳輸LO 口的耦合電容很小，以使本振源不影響口的耦合電容很小，以使本振源不影響RF口的參數(shù)口的參數(shù) 晶體管作為晶體管作為混頻器混頻器的的等效電路？等效電路？dsr與作為與作為放大器放大器的的等效電路等效電路的的 異同？異同？輸入阻抗同輸入阻抗同GSRFGSRFiCCR11輸出阻抗同輸出阻抗同等效電流源不同等效電流源不同mgsg vfcgsg v放大器放大器混頻器混頻器變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo)（2）

17、偏置偏置 在相同的本振幅度下，在相同的本振幅度下，偏置偏置不同，不同，時(shí)變跨導(dǎo)時(shí)變跨導(dǎo)也不同也不同 時(shí)變偏置時(shí)變偏置)()(tvVtvLOGGGS)(tvLO隨本振電壓隨本振電壓 變化時(shí)，變化時(shí)，應(yīng)保證應(yīng)保證場(chǎng)效應(yīng)管工作于場(chǎng)效應(yīng)管工作于飽和區(qū)飽和區(qū)措施措施漏極加漏極加LO串連回路串連回路漏極對(duì)本振的漏極對(duì)本振的交流阻抗為交流阻抗為0，本振變化不影響本振變化不影響漏極電壓漏極電壓（3）輸出回路輸出回路中頻輸出回路功能：中頻輸出回路功能： 選頻濾波選頻濾波 阻抗變換阻抗變換（4）中頻陷波中頻陷波目的：目的： 為了減少混入輸入端的中頻干擾和噪聲為了減少混入輸入端的中頻干擾和噪聲方法：方法： FET的

18、柵極應(yīng)對(duì)中頻短路的柵極應(yīng)對(duì)中頻短路中頻陷波器中頻陷波器（5）本振注入方式本振注入方式 從從源極源極注入注入優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)LO 口與口與RF口的隔離加大口的隔離加大 從從柵極柵極注入注入優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)需要的本振功率小需要的本振功率小缺點(diǎn)缺點(diǎn)LO 口與口與RF口的隔離差口的隔離差直流柵偏壓直流柵偏壓SRGGVV時(shí)變偏置時(shí)變偏置)()(tvVtVLORGSS缺點(diǎn)缺點(diǎn) 本振源提供的功率比從柵極注入要大本振源提供的功率比從柵極注入要大 對(duì)射頻對(duì)射頻 的的負(fù)反饋負(fù)反饋，使混頻增益下降，使混頻增益下降SR3. 雙柵雙柵FET混頻器混頻器雙柵混頻器交流通路圖雙柵混頻器交流通路圖電路特點(diǎn)電路特點(diǎn) 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管兩個(gè)柵極兩個(gè)柵極 本振信號(hào)本振信號(hào)接在接在 靠近漏極的靠近漏極的柵極柵極G2上上 射頻信號(hào)射頻信號(hào)接在接在 靠近源極的靠近源極的柵極柵極G1上上 本振口和射頻口分別與自己的源阻抗匹配本振口和射頻口分別與自己的源阻抗匹配 接本振信號(hào)的柵極接本振信