射頻模擬電路_No7_第五章 頻譜搬移-混頻器

1、第五章 頻譜搬移-混頻器 電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院第五章 混頻器混頻電路是超外差接收機、發(fā)射機及頻率合成技術(shù)中重要的組成部分，在收發(fā)信道中它扮演了重要的角色，其作用是將載頻為 的已調(diào)信號(或單頻載波)不失真地變頻為 的信號。稱為中間頻率或中頻。超外差式接收機方框圖 變頻或混頻就是把兩個不同的信號加到非線性器件上進(jìn)行頻率組合后取出和頻或差頻 的過程。 它的的基本功能均是將輸入頻帶信號的頻譜位移到新的頻率范圍內(nèi)，即頻譜的線性般移，這類似于調(diào)制信號經(jīng)調(diào)幅變換前后的頻譜變換關(guān)系。如果所用本振信號是變頻電路自身產(chǎn)生，則稱為自激式混頻器，或簡稱為變頻器。 如果本振信號由外部其它電路提供，則稱變頻電路為它

2、激式混頻器，或簡稱為混頻器；一、混頻的概念第五章 混頻器二、混頻的應(yīng)用一是頻率合成系統(tǒng)中實現(xiàn)升降頻。二是通信系統(tǒng)中降低對濾波器的要求。三是衛(wèi)星信號傳送中的二次變頻 應(yīng)用。鑒相、相位調(diào)制器 等主要例子有：利用變頻器可以實現(xiàn)，將波段內(nèi)的已調(diào)信號變?yōu)榕c輸入載波無關(guān)的、并具有固定載頻的中頻信號，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高性能的選頻放大，最后再檢波的超外差式接收解調(diào)方案在發(fā)射設(shè)備中經(jīng)常利用變頻器來改變載頻頻率的大小在頻率合成器中，也常用變頻器來完成頻率加減運算，從而由基本頻率信號得到各種不同于原頻率的新信號第五章 混頻器混頻模型及頻譜第五章 混頻器調(diào)幅是把基帶頻譜搬移到載頻兩邊，混頻則是信號頻譜搬移到中頻，但本

3、質(zhì)上它們都是頻譜的搬移，因而實現(xiàn)的模型是相同的，可用模擬乘法器實現(xiàn)，也可用平方律器件、指數(shù)特性器件、折線型器件等實現(xiàn)。 變換關(guān)系是：上混頻 高本振下混頻 低本振下混頻 下混頻第五章 混頻器混頻器有兩個輸入口與一個輸出口，其中一個輸人口為RF端另一個輸入口為LO端，輸出口為IF端(RF為射頻，LO為本振，IF為中頻)。它與只有輸入、輸出口的放大器是不一樣的。但是放大器有直流電源輸入，只要把混頻器的本振輸入看成是“泵”或“源”混頻器與放大器就有類比性(三極管、場效應(yīng)管混頻還要加上直流偏置)，RF看成是輸入，IF看成是輸出，但輸入和輸出的頻率是不同的，定義混頻器的一些指標(biāo)與放大器相比有相同的也有不同

4、的。 第五章 混頻器混頻可用雙極晶體管、場效應(yīng)管、模擬乘法器、二極管等器件完成。在甚高頻及超高頻頻段，主要用二極管完成混頻。下述混頻器指標(biāo)以二極管混頻為主。 1.變頻增益(損耗)2.噪聲系數(shù)3.動態(tài)范圍4.雙音三階交調(diào)與線性度5.工作頻率隔離度7.鏡像頻率抑制度8.本振功率端口性能 5.1 混頻器的性能指標(biāo)1.變頻增益(損耗)（注：教材上公式有錯）變頻損耗指混頻器輸入端（RF）的信號功率與輸出端（IF）的信號功率之比?？梢杂?電壓增益也可用功率增益表示其放大能力。常用分貝表示。5.1 混頻器的性能指標(biāo)主要由電路失配損耗，二極管的固有結(jié)損耗及非線性電導(dǎo)凈變頻損耗等引起。 2.噪聲系數(shù)5.1 混頻

5、器的性能指標(biāo)定義為： NF=Pno/Pso Pno是當(dāng)輸入端口噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度即T0=290K時，傳輸?shù)捷敵龆丝诘目傇肼曎Y用功率。Pno主要包括信號源熱噪聲，內(nèi)部損耗電阻熱噪聲，混頻器件電流散彈噪聲及本振相位噪聲。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產(chǎn)生的噪聲資用功率。 3.動態(tài)范圍5.1 混頻器的性能指標(biāo)動態(tài)范圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率范圍。其下限因混頻器的應(yīng)用環(huán)境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應(yīng)混頻器的1dB壓縮點。 1dB壓縮點：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠(yuǎn)低于本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當(dāng)射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻

6、輸入增加的速度減慢，混頻器出現(xiàn)飽和。當(dāng)中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對于結(jié)構(gòu)相同的混頻器，1dB壓縮點取決于本振功率大小和二極管特性，一般比本振功率低6dB。 4、混頻器的雙音三階交調(diào)與線性度.5.1 混頻器的性能指標(biāo)如果有兩個頻率相近的信號fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由于混頻器的非線性作用，將產(chǎn)生交調(diào)，其中三階交調(diào)可能出現(xiàn)在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以內(nèi)，造成干擾，通常用三階交調(diào)抑制比來描述，即有用信號功率與三階交調(diào)信號功率比值，常表示為dBc。三階互調(diào)產(chǎn)物是由放大器或混頻器的非線性特性造成的對兩個音頻輸入相互混頻(或調(diào)制)的結(jié)果。這兩個

7、IM3產(chǎn)物是： fIM3_1 = 2 * f1 - f2, f IM3_2 = 2 * f2 - f1,i.e. 900 * 2 - 901 = 899MHz i.e. 901 * 2 - 900 = 902MHz 5.隔離度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dB。 6、本振功率混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動態(tài)范圍增大，線性度改善（1dB壓縮點上升，三階交調(diào)系數(shù)改善）。 7、端口電壓駐波比 端口駐波直接影響混頻器在系統(tǒng)中的使用，它

8、是一個隨功率、頻率變化的參數(shù)。 8、鏡像抑制度5.1 混頻器的性能指標(biāo)1.用乘法器實現(xiàn)混頻是最好的方法之一5.2 混頻器的實現(xiàn)模型（P331）由模擬乘法器（有源混頻） 實現(xiàn)乘積型混頻器由雙極晶體管（有源混頻）、場效應(yīng)管（有源混頻） 、二極管（無源混頻） 實現(xiàn)疊加型混頻器兩種電路都含有許多組合頻率分量。5.3 有源混頻器電路（P332）1.主要器件石英晶體：17.73MHz 三極管： 9018 中周： 6.5MHz 電阻電容：若干2.技術(shù)指標(biāo)要求：1） 接收頻率（點頻）11.23MHz 2） 本振頻率： 17.73MHz3） 混頻輸出（中頻）：6.5MHz直流偏置電壓 本振電壓 信號電壓 可把本

9、振電壓看成是晶體管偏置電壓的一部分，但這種偏置是時變偏置 5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法在本振電壓作用下，工作點隨時間而移動。由于信號電壓振幅值很小，在任何時刻的工作點上，對信號而言都可以看成是線性的。這種分析問題的方法稱為線性時變分析法。 5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法在時變工作點上的泰勒級數(shù)展開式為：很小時變電導(dǎo) 是轉(zhuǎn)移持性上隨本振電壓變化的時變工作點 切線的斜率。 時變的工作點5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法時變電導(dǎo) 時變電導(dǎo)是轉(zhuǎn)移持性上隨本振電壓變化的時變工作點切線的斜率。 5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性

10、時變分析方法時變電導(dǎo) 時變工作點對應(yīng)的 變化規(guī)律都與的變化規(guī)律一致。也是周期的。和和量綱是電導(dǎo)量綱是電流5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法取下混頻 變頻跨導(dǎo) ：中頻電流振幅值 與信號電壓振幅制之比5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法若輸入為調(diào)幅波：或 5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法例題已知混頻晶體三極管的近似特性如下圖：VBB0=？g(t)=？VBB0=0Vgc=？中頻電流由集電極中頻諧振回路取出，混頻器的電壓增益為：不能混頻!5.3.1 晶體管混頻器近似分析方法-線性時變分析方法例題已知混頻晶體三極管的近似特性如下圖：二極管混頻

11、晶體三極管混頻動態(tài)范圍小(信號電平范圍僅為幾十毫伏)，組合頻率干擾大，本振泄漏嚴(yán)重。二極管混頻則動態(tài)范圍大，組合頻率分量少，本振泄漏小，無變頻增益。5.4 無源混頻器電路（P353）5.4 無源混頻器電路（P353）5.4.4 單二極管開關(guān)混頻器的折線近似分析 二極管混頻分小信號混頻及開關(guān)混頻。小信號混頻，工作在二極管特性曲線的彎曲部分。開關(guān)混頻，本振電壓的幅度較大( )，可認(rèn)為在本振電壓的正半周，二極管導(dǎo)通；在本振電壓的負(fù)半周，二極管截止。開關(guān)混頻具有更好的性能。1.小信號二極管平衡混頻器的工作原理 （P357）小信號狀態(tài)下，工作在二極管特性的彎曲部分，二極管特性 可用級數(shù)展開：抵消部分非線

12、性分量，可采用平衡混頻器，上下完全對稱。5.4 無源混頻器電路5.4 無源混頻器電路抵消了許多組合頻率分量，仍包含較豐富的頻率分量。 平衡混頻器小信號工作可實現(xiàn)混頻包含( ) 分量 2二極管開關(guān)混頻工作原理 二極管開關(guān)混頻時可忽略二極管特性曲線的彎曲部分，用折線來代替二極管。 5.4 無源混頻器電路開關(guān)函數(shù) 5.4 無源混頻器電路2、二極管開關(guān)混頻器工作原理包含的頻率成分少了很多組合頻率分量 相比與5.4 無源混頻器電路2、二極管開關(guān)混頻器工作原理 采用四只二極管組成的環(huán)形混頻器可以進(jìn)一步減少組合頻率干擾。電路中二極管同樣工作于受本振電壓控制的開關(guān)狀態(tài)。 輸出電流中的組合頻率成分少了很多。此外

13、，中頻分量的振幅值是平衡混頻器的兩倍。因此，環(huán)形混頻器的靈敏度和抑制干擾的能力都更優(yōu)于平衡混頻器。5.4 無源混頻器電路3、二極管環(huán)形混頻器四個二極管組成一個環(huán)環(huán)形混頻器 環(huán)形混頻器本振與信號端口具有良好的隔離，對本振而言，AB點是等電位，信號口無本振輸出，對信號而言，CD點是等電位，本振口無信號輸出。信號源端口的電流 ： 信號口的輸入阻抗： 中頻電流 二極管環(huán)形混頻器5.4 無源混頻器電路開關(guān)函數(shù)5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真1.組合頻率干擾 組合頻率干擾是混頻器中的特有現(xiàn)象組合頻率分量 混頻器由非線性器件組成是形成干擾的源泉 中頻信號 增大組合頻率分量的振幅迅速減小 通過中頻放

14、大通道送入檢波電路無用的組合頻率分量與 接近組合頻率分量 F為音頻 在檢波電路中再次“混頻”，差拍出頻率為F的哨叫聲，這種干擾稱為干擾哨聲 。組合頻率分量 5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真在不同的 處產(chǎn)生干擾哨聲要形成干擾哨聲取不同的正整數(shù)干擾信號干擾信號進(jìn)入中頻通道后被放大最強的干擾 中頻干擾5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真組合頻率分量 鏡像干擾 鏡像干擾本振信號有用信號例：有一超外差式廣播收音機，其中頻試說明下面兩種干擾現(xiàn)象各屬于何種干擾？（1）當(dāng)收聽到 的電臺播音時，還能聽到強電臺播音的干擾；（2）當(dāng)收聽頻率 的電臺播音時，還能聽到強電臺播音的干擾和嘯叫聲。5.5 混

15、頻器中的組合頻率干擾與非線性失真鏡像干擾要形成干擾哨聲組合頻率干擾分析：（1）本振頻率 鏡像干擾干擾信號與本振的差頻（2）本振頻率 組合頻率干擾干擾信號與外來信號的組合頻率5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真四次項或更高的偶次項會產(chǎn)生中頻電流調(diào)幅波 不能正確反映包絡(luò)的變化規(guī)律 2非線性失真混頻器輸入端作用強的有用信號混頻器工作在“強”線性狀態(tài)5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真非線性與干擾阻塞產(chǎn)生交叉調(diào)制 偏置直流電壓 信號基波電流 混頻器輸入端同時輸入有用信號 及干擾信號5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真調(diào)幅信號 干擾信號轉(zhuǎn)移的部分有用分量5.5 混頻器中的組合頻率干擾與

16、非線性失真信號基波電流 交叉調(diào)制交叉調(diào)制系數(shù) (2) ，提高前端電路的選擇性可克服交調(diào)。 (1)交叉調(diào)制是由非線性器件中的三次項或更高次非線性項產(chǎn)生的，與 成正比結(jié)論：(3)干擾信號的幅度與有用信號 的大小有關(guān)交叉干擾消失5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真混頻器的三階互調(diào) 5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真三階互調(diào)兩個干擾信號結(jié)論：（1）平方項(或更高偶次項)產(chǎn)生 分量，稱為二階互調(diào)。在窄帶通信系統(tǒng)中， ， 是較靠近的兩個頻率。不會落在頻帶內(nèi)。這種干擾可以不予考慮。（2）三次方項或更高奇次項產(chǎn)生 或分量，稱為三階互調(diào)。易落在帶內(nèi)很靠近時影響最嚴(yán)重，必須消除。5.5 混頻器中的組合頻率干擾與非線性失真(3)選用平方律特性器件或采用平衡或雙平衡電路可改善三階互調(diào)特性。 倒易混頻（噪聲調(diào)制） 與 相隔的噪聲混頻，把噪聲搬移到中頻的帶內(nèi)使信噪比惡化當(dāng)本振譜不純，存在雜散和邊