三極管混頻器

1.三極管混頻器的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)內(nèi)容在本次通信電子線路課程設(shè)計(jì)中我采用了Multisim仿真軟件對(duì)三極管混頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)及繪制，并模擬仿真，在仿真的基礎(chǔ)上再做了實(shí)物。從理論上對(duì)電路進(jìn)行了分析。選擇合適的元器件，設(shè)計(jì)出滿足要求的三極管混頻器。設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)三極管混頻器。要求中心頻率為10MHz,本振頻率為16.455MHz。設(shè)計(jì)框圖及原理說(shuō)明混頻原理框圖混頻器是一種典型的線性時(shí)變參數(shù)電路，要完成頻譜的線性搬移，關(guān)鍵是要獲得兩個(gè)輸入信號(hào)的乘積，能找到這個(gè)乘積項(xiàng)，就可完成所需的線性搬移功能。如下圖1.1為混頻器的組成電路，它由非線性器件、本地振蕩器和帶通濾波器組成。圖1.1混頻工作原理混頻原理說(shuō)明混頻電路輸入的是載頻為f的高頻已調(diào)波信號(hào)u(t)和頻率為f的本地振cir蕩信號(hào)u(t),經(jīng)過(guò)非線性器件變頻后輸出端有兩個(gè)信號(hào)的差頻(f-f)、和頻rrc(f+f)及其他頻率分量，再經(jīng)濾波器濾掉不需要的頻率分量，取差頻(或和頻)rcf作為中頻已調(diào)波信號(hào)u(t),即中頻f=(f-f),或f=(f+f),從而實(shí)現(xiàn)變頻作用。IIIrcIrc通常從輸出端取出差頻的混頻稱為下混頻，而取出和頻的混頻稱為上混頻。本次課程設(shè)計(jì)我的電路是用10MHZ的交流信號(hào)電壓源、本振電路(產(chǎn)生16.455MHZ）、三極管混頻器電路以及選頻電路組成。信號(hào)源所產(chǎn)生的10MHZ的正弦波與本振電路所產(chǎn)生的16.455MHZ正弦波通過(guò)三極管進(jìn)行混頻后產(chǎn)生和頻、差頻信號(hào)及其它頻率信號(hào)，然后通過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)濾掉不需要的頻率分量，取出差頻（6.455MHZ）的信號(hào)，即為所需的6.455MHZ信號(hào)。2．設(shè)計(jì)電路及原理與仿真2.1本地振蕩電路本地振蕩器是本設(shè)計(jì)電路的重要部分，同時(shí)也是超外差式接收機(jī)的主要部分。其主要作用是將直流信號(hào)變?yōu)楦哳l正弦信號(hào)，2.1.1振蕩起振條件正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器是指這時(shí)放大器不需要外加激勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來(lái)代替外加激勵(lì)信號(hào)的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。本設(shè)計(jì)中用的是反饋式振蕩器，圖2.1所示即為L(zhǎng)C三點(diǎn)式反饋式振蕩器的原理圖。通過(guò)我們對(duì)高頻電路的學(xué)習(xí)知道，三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成法則是：X與X的符號(hào)相同，與X』勺符號(hào)則相反。凡是123違反這一準(zhǔn)則的電路不能產(chǎn)生振蕩（射同它異）。圖2.1 LC三點(diǎn)式反饋式振蕩器的原理圖電路及電路參數(shù)選擇如圖2.2示，此次設(shè)計(jì)的本振電路采用的是西勒振蕩器，它是改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器，其主要特點(diǎn)是在回路電感L兩端并聯(lián)了可變電容C4,而C3為固定值電容器，且滿足Cl、C2遠(yuǎn)大于C3,Cl、C2遠(yuǎn)大于C4,回路總等效電容為C=1(1C1+1C2+1C3)+C4沁C3+C4振蕩頻率為C5-II-:300pF12.5uHC5-II-:300pF12.5uH:豈聽(tīng)?伸::圖2.2本振電路（西勒振蕩器）Q1?/ 3^ ：2112923Q1?/ 3^ ：2112923 C1

XZEOpF-4-C4I4：12DpFL1 2.5uH：：V-1Q0pF \Key=A-1B%-—3■■■C3X=3OpF圖2.3交流等效電路據(jù)西勒振蕩電路的特點(diǎn)，C3的大小對(duì)電路性能有很大影響。因?yàn)轭l率是靠調(diào)節(jié)C4來(lái)改變的，所以C3不能過(guò)大，否則振蕩頻率主要由C3和L決定，因?yàn)閷⑾拗祁l率調(diào)節(jié)的范圍。此外，C3過(guò)大也不利于消除晶體管極間電容的影響。在西勒振蕩器中，L和C1~C4的值可用式（1.1）計(jì)算出，不過(guò)若L與C的比值太小的話，在低頻下難以振蕩。有大致的標(biāo)準(zhǔn)，即振蕩頻率為1MHZ時(shí)，L在10uH以上；10MHZ時(shí)L>1uH。另需注意C1、C2的大小，若C2/C1太小，波形就會(huì)受限制，同事也會(huì)增加輸出波形中的高次諧波。反之，若太大，不能夠完全補(bǔ)償振蕩電路的損耗而停振。又由于本電路要產(chǎn)生16.455MHZ的信號(hào)，所以f0=16.455MHZ

12k12kVCL=16..455MHZ綜上所述，可以取值C1=60PF,C1=120PF,C3=30PF,C4=18PF,L2=2.5uH.其它主要器件的參數(shù)如下，C5=300pF為基極耦合電容，R3二1000用來(lái)限制射極電流，R1=12K,R2=2K為基極偏置電阻，用來(lái)給三極管確定一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，L1為高頻扼流圈。2.1.3電路仿真圖2.4本振信號(hào)波形圖2.4本振信號(hào)波形圖2.5本振信號(hào)頻率由仿真效果挺穩(wěn)定，驗(yàn)證了西勒振蕩器穩(wěn)定性好波段范圍內(nèi)輸出電壓幅度比較平穩(wěn)的特點(diǎn)。此前我也用了克拉潑振蕩器做本振，發(fā)現(xiàn)效果沒(méi)西勒穩(wěn)定?；祛l電路三極管混頻器的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，有較高的變頻增益，要求本振電壓幅度較小，在50~200之間（當(dāng)信號(hào)電壓較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性失真）。2.2.1混頻原理電路圖2.6晶體管混頻電路原理圖三極管混頻電路的形式與小信號(hào)諧振放大器相似，其差別有兩點(diǎn)：輸入、輸出回路調(diào)諧在不同頻率上；增加了本振電壓的注入電路。晶體管混頻器的工作原理電路如圖2.6所示。圖中，直流偏置VBB、本振電壓v和信號(hào)電壓v都加在晶體管的基極和發(fā)射BB0s機(jī)之間，一般情況下,V>>v，也就是本振電壓是大信號(hào)，而輸入信號(hào)電壓為小0m sm信號(hào)。根據(jù)線性時(shí)變電路分析法可知，在一個(gè)大信號(hào)v和一個(gè)小信號(hào)v同時(shí)作0s用于非線性器件時(shí)，晶體管可看作是小信號(hào)工作點(diǎn)隨大信號(hào)變化而變化的線性參變?cè)?，?dāng)高頻信號(hào)通過(guò)線性參變?cè)r(shí)，便產(chǎn)生各種頻率分量，達(dá)到混頻的目的。設(shè)U(t)為輸入信號(hào)，U(t)為本振信號(hào)。U(t)輸出信號(hào)。soi分析：當(dāng)U(t)二UcosQssmst則U(t)二U(t)U(t)=UcospUcosp=UcospcospisO smstOmOt stOt其中：U二UUsmOm對(duì)上式進(jìn)行三角函數(shù)的變換則有U(t)二Ucospcosp=12U[cos(p+ps)t+cos(p-p)t]i1 st Ot--2 O Os由此可知，經(jīng)濾波后，輸入信號(hào)、本振信號(hào)及輸出信號(hào)都為正弦波信號(hào)。圖2.7晶體管混頻器的基本電路形式晶體管混頻電路類型晶體管混頻器的電路有多種形式。一般按照晶體管組態(tài)和本地振蕩電壓注入點(diǎn)的不同，有圖2.7所示的四種基本電路。圖中(a)和(b)為共射混頻電路。圖(a)信號(hào)電壓、本振電壓都由基極注入。圖(b)表示信號(hào)電壓由基極輸入，本振電壓由發(fā)射極注入。圖(c)、(d)為共基混頻電路。圖(c)表示信號(hào)電壓由發(fā)射極輸入，本振電壓也由發(fā)射極注入。圖(d)表示信號(hào)電壓、本振電壓都由基極注入。這四種電路組態(tài)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。圖(a)電路對(duì)信號(hào)電壓來(lái)說(shuō)是共射電路，輸入阻抗較大，變頻增益大，因此用做混頻時(shí)，本地振蕩電路負(fù)載較輕，容易起振，需要的本振注入功率也較小。但因?yàn)樾盘?hào)電路與振蕩電路相互影響較大(直接耦合)，可能產(chǎn)生牽引現(xiàn)象。當(dāng)3s與30的相對(duì)頻差不大時(shí)，牽引現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不宜采用此種電路。

圖（b）電路的輸入信號(hào)與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入，因此，相互干擾產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。同時(shí)，對(duì)于本振電壓來(lái)說(shuō)是共基電路，其輸入阻抗較小，使本振負(fù)載較重，雖不易起振但也不易過(guò)激，因此振蕩波形好，失真小。但需要較大的本振注入功率；不過(guò)通常所須功率也只有幾十毫瓦，本振電路是完全可以供給的。因此，這種電路應(yīng)用較多。圖（c）和（d）兩種電路都是共基混頻電路。在較低的頻率工作時(shí)，變頻增益低，輸入阻抗也較低，因此一般都不采用這兩種電路。但在較高的頻率工作時(shí)（幾十MHz），因?yàn)楣不娐返膄比共發(fā)電路的九要大很多，所以變頻增益a B較大。因此在較高頻率工作時(shí)也有采用這種電路的。設(shè)計(jì)電路及電路參數(shù)選擇根據(jù)對(duì)晶體管混頻器的電路形式的分析，此次設(shè)計(jì)采用的是圖2.7（b）圖。如圖2.8為晶體管混頻器的設(shè)計(jì)電路。電路的輸入信號(hào)（用10MHZ的信號(hào)源代替）與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入。該電路主要由Q2和6.4555MHz選頻回路（圖2.9）組成。 G2 G2 ；；；「； ：：：：100uH ‘ ][——L547011H,R3；；；「； ：：：：100uH ‘ ][——L547011H,R3「訕F；；；「；；；；8kG：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：5 10nF--*■圖2.8晶體三極管混頻電路Li200pFLi200pF圖2.9選頻電路在高頻放大器或振蕩器中,由于某種原因,會(huì)產(chǎn)生不需要的振蕩信號(hào),這種振蕩稱為寄生振蕩。介紹小信號(hào)放大器穩(wěn)定性時(shí)所說(shuō)的自激,即屬于寄生振蕩，為了電源去耦，消除由公共電源引起的多級(jí)寄生振蕩，在設(shè)計(jì)電路時(shí)加入了C10、C2、L5。而在信號(hào)源連接處加一電容是為了濾波用，女口C3、C7、C4。Rl、R3、R4用來(lái)確定靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)改變電阻R4的值來(lái)改變混頻器晶體工作點(diǎn)，使其工作在合適的非線性區(qū)域，同時(shí)也可以用來(lái)調(diào)節(jié)混頻增益。而選頻電路的取值：1而選頻電路的取值：1=6.455MHZ2兀、CL倒推可得：CL=607.92x10-18F-H從而通過(guò)對(duì)結(jié)合仿真效果，可取L=3uH,C=200pF電路仿真及調(diào)試r;x：貂OsciIloscope-XSC1ReverseTriggerEdge _tj[ft-r;x：貂OsciIloscope-XSC1ReverseTriggerEdge _tj[ft-B|Ext|LevelExt.TriggerrAC|0JDC-Cimeba￡eScale|即0i】5Xposition0|Y/TAdd|日禹|請(qǐng)|航|D|DCChannelBScale15V/t)ivYposition0圖2.10R4=5KO時(shí)輸出的波形TimeChanneAChanneB67.535us1.950V69.525us-587,-IG4mV2.000us-2.538VChannel_AScale2碾已Yposition0圖2.11 R4=5KO時(shí)的輸出頻率從仿真結(jié)果看稍有失真，猜測(cè)可能是靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)制不是很理想此時(shí)的R4=5kO，所以通過(guò)對(duì)滑動(dòng)變阻器R4的調(diào)試，應(yīng)該可以取到最大不失真信號(hào)。即當(dāng)R4=6.1KO時(shí)，波形如下圖2.12所示，明顯的失真更小，而當(dāng)R4=8kO時(shí),波形如圖2.13示，波形又開(kāi)始失真，所以，當(dāng)R4=6.1KO時(shí)，工作狀態(tài)最好。圖2.12R4=6.1KO時(shí)的輸出波T2T1Time85.059us87.059us2.000usScaleChannel_AT2T1Time85.059us87.059us2.000usScaleChannel_A1.930V

-W5.4O3mVChannelAScaleV/t)ivChannelBScale|5V/D'wYposition|oYposition|oAC|0|dcAcjo|dc-Xposition|0F7FAdd|b/a|a/b|圖2.13R4=8K時(shí)的輸出波形總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了通信電子線路中三方面內(nèi)容，分別是電容三點(diǎn)式振蕩電路、晶體管混頻器和選頻電路。通過(guò)查找資料，結(jié)合書本中所學(xué)的知識(shí)，完成了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。把書中所學(xué)的理論知識(shí)和具體的實(shí)踐相結(jié)合，有利于我們對(duì)課本中所學(xué)知識(shí)的理解，并加強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力。本次設(shè)計(jì)通過(guò)先復(fù)習(xí)混頻電路的原理，然后選擇電路，計(jì)算關(guān)鍵元件的值，學(xué)習(xí)Multisim的使用，最后連線調(diào)試出預(yù)期的混頻和濾波效果，然后做出實(shí)際電路。其中雖然遇到了很多困難，但通過(guò)查找資料與思考，終于解決了相關(guān)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)曹才開(kāi).《高頻電子線路原理與實(shí)踐》.2010年6月.第1版.中南大學(xué)出版社謝自美.《電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試》.第二版.華中科技大學(xué).2010年康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分》.第五版.華中科技大學(xué)出版社.2005.7曹才開(kāi).《電路分析基礎(chǔ)》.第四版.北京.清華大學(xué)出版社.2009致謝課程設(shè)計(jì)終于完成了，首先要感謝幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，給予我極大的鼓勵(lì)和支持，使我能一直有堅(jiān)定的信心和飽滿的熱情來(lái)完成我的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了很多問(wèn)題，老師和