晶體三極管混頻器的設(shè)計(jì)

*課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：晶體三極管混頻器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：**學(xué)生學(xué)號(hào)：*******系別：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)：通信工程專業(yè)屆別：2014屆指導(dǎo)教師：***電氣信息工程學(xué)院制2013年5月晶體三極管混頻器的設(shè)計(jì)學(xué)生：***指導(dǎo)老師：***電氣信息工程學(xué)院：10級(jí)通信工程專業(yè)1三極管混頻器的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容在本次課程設(shè)計(jì)中采用了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。從理論上對(duì)電路進(jìn)行了分析。選擇適宜的預(yù)案器件，設(shè)計(jì)出滿足要求的三極管混頻器。1.2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。1.3混頻器工作原理及系統(tǒng)框圖一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中調(diào)幅收音機(jī)的混頻電路的主要功能是使信號(hào)自某一頻率變換成另外一個(gè)頻率，實(shí)際上是一種頻譜線性搬移電路。它能將高頻載波信號(hào)或已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行頻率變換，將其變換為頻率固定的中頻信號(hào)。而變換后的信號(hào)，它的頻譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和調(diào)制類型保持不變，改變的僅僅是信號(hào)的載波頻率。混頻電路的類型較多，常用的模擬相乘混頻器、二極管平衡混頻器、環(huán)形混頻器、三極管混頻器等。其中三極管混頻器最為常用，其工作原理圖如下：中頻諧振回路混頻器高頻信號(hào)中頻輸出中頻諧振回路混頻器f外f中本機(jī)振蕩器f本本機(jī)振蕩器圖1系統(tǒng)原理圖從圖中可以看出混頻電路主要有三大局部組成：本地振蕩器、晶體管變頻器電路和中頻濾波網(wǎng)絡(luò)，各局部獨(dú)立工作。本地振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)(設(shè)其頻率為),輸入的高頻調(diào)幅波信號(hào)〔設(shè)其頻率為〕，由于晶體管的非線性特性，兩個(gè)信號(hào)混合后會(huì)產(chǎn)生、頻率的信號(hào)，然后通過(guò)中頻濾波網(wǎng)絡(luò)，取出頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)好、的大小使其差為中頻頻率，即所需要的中頻信號(hào)6.455MHZ。以下是混頻前后的波形圖和混頻前后的頻譜圖：圖2混頻前后的波形圖如上波形圖可以看出，混頻器上加了兩個(gè)信號(hào)：輸入調(diào)幅信號(hào)VS(t)和本振信號(hào)VL(t)，經(jīng)過(guò)變頻后，輸出中頻信號(hào)VI(t)。輸出的中頻調(diào)幅波輸入的高頻調(diào)幅波調(diào)幅規(guī)律完全相同，唯一差異就是頻率不同。圖3組成模型混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種搬移，如圖3所示。圖4混頻前后的頻譜圖假設(shè)設(shè)輸入調(diào)幅信號(hào)VS(t),相應(yīng)的頻譜如圖4〔b〕所示，當(dāng)>時(shí)，相乘器的輸出電壓頻譜如圖4〔c〕所示，即將VS(t)的頻譜不失真地搬移到本振角頻率wc的兩邊，一邊搬移到()上，構(gòu)成角頻率為()的調(diào)幅信號(hào)；另一邊搬移到()上，構(gòu)成角頻率為()的調(diào)幅信號(hào)。假設(shè)令，那么前者為無(wú)用的寄生分量，而后者那么為有用的中頻分量。因此調(diào)諧在上的帶通濾波器的頻帶寬度應(yīng)大于或等于輸入調(diào)幅信號(hào)的頻譜寬度。1.4三極管混頻器的設(shè)計(jì)方案本課程設(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電路設(shè)計(jì)及其原理分析2.1本地振蕩電路本地振蕩電路是本設(shè)計(jì)電路的重要局部，同時(shí)也是超外差式接收機(jī)的主要局部。其作用是將直流信號(hào)變?yōu)楦哳l正弦信號(hào)，將產(chǎn)生的正弦高頻信號(hào)與輸入的高頻調(diào)幅信號(hào)通過(guò)混頻電路得到、的信號(hào)，其中為本地振蕩器產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率，為輸入的高頻調(diào)幅波信號(hào)頻率，通過(guò)中頻濾波器得到中頻信號(hào)。即本地振蕩器主要是產(chǎn)生一個(gè)正弦高頻信號(hào)，假設(shè)振蕩器不能夠穩(wěn)定的工作，就會(huì)使產(chǎn)生的中頻信號(hào)不穩(wěn)定，為此我們必須保證振蕩器的穩(wěn)定性，故這里采用高穩(wěn)定度的西勒振蕩器。2.1.1振蕩器起振條件正弦波振蕩器按工作原理可分為反應(yīng)式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反應(yīng)式振蕩器是在放大器電路中參加正反應(yīng)，當(dāng)正反應(yīng)足夠大時(shí)，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器是指這時(shí)放大器不需要外加鼓勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反應(yīng)信號(hào)來(lái)代替外加鼓勵(lì)信號(hào)的作用。負(fù)阻式振蕩器那么是將一個(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)中用的是反應(yīng)式振蕩器，圖5即為L(zhǎng)C三點(diǎn)式反應(yīng)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)式振蕩電路的組成法那么是：交流通路中三極管的三個(gè)電極與諧振回路的三個(gè)引出端點(diǎn)相連接，其中與發(fā)射極相接的為兩個(gè)同性質(zhì)電抗，而另一個(gè)〔接在集電極與基極間〕為異性質(zhì)電抗。圖5三點(diǎn)式振蕩器的原理電路2.1.2電路及電路參數(shù)的選擇如圖6所示，此次設(shè)計(jì)的本振電路采用的是西勒振蕩器，它是改良型電容三點(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C1、C2遠(yuǎn)大于C3，C1、C2遠(yuǎn)大于C4，回路總等效電容為：振蕩頻率為：圖6本地振蕩電路圖7交流等效電路根據(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，所以C3不能過(guò)大，否那么振蕩頻率主要由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。在西勒振蕩電路中，L和C1-C4的值可用式〔1.2.1〕計(jì)算出，不過(guò)假設(shè)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，假設(shè)C2/C1太小，波形就會(huì)受限制，同時(shí)也會(huì)增加輸出波形中的高次諧波。反之，假設(shè)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16.544MHZ的信號(hào)，所以=16.455MHZ即MHZ綜上所述，可以取值C1=60PF,C2=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=100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)適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)，L1為高頻扼流圈。2.2混頻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，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8是三極管混頻器的原理電路。圖中，L1C1為輸入信號(hào)回路，調(diào)諧在上。L2C2為輸出中頻回路，調(diào)諧在上。本振電壓接在基極回路中，為基極靜態(tài)偏置電壓，由圖可見，加在發(fā)射結(jié)上的電壓。假設(shè)將〔〕作為三極管的等效基極偏置電壓，用表示,稱之為時(shí)變基極偏壓，那么當(dāng)輸入信號(hào)電壓很小，滿足線性時(shí)變條件時(shí)，三極管集電極電流圖8三極管混頻器的原理電路在時(shí)變偏壓作用下，的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為中的基波分量與輸入信號(hào)電壓相乘令，得到的中頻電流分量為其中稱為混頻跨導(dǎo)，定義為輸出中頻電流幅值對(duì)輸入信號(hào)電壓幅值之比，其值等于中基波分量的一半。假設(shè)設(shè)中頻回路的諧振電阻為Re，那么所需的中頻輸出電壓，相應(yīng)的混頻增益為綜上所述，在滿足線性時(shí)變條件下，三極管混頻電路的混頻增益與成正比。而又與和靜態(tài)偏置有關(guān)。2.2.2設(shè)計(jì)電路及電路參數(shù)選擇如圖9為晶體混頻器的設(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6.455MHZ選頻回路〔圖10〕組成。圖9晶體三極管混頻電路圖10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)，這種振蕩稱為計(jì)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)參加了C8、C12、L5。而在信號(hào)源連接處加一電容是為了濾波用，如C6、C7、C10。R4、R5、R6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)，使其工作在適合的非線性區(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：倒推可得：從而通過(guò)對(duì)結(jié)合仿真效果，可取L=3uH，C=200pF。2.3總電路圖圖11總電路圖3三極管混頻器的仿真和調(diào)試3.1仿真軟件介紹Multisim軟件是迄今為止，在電路級(jí)仿真上表現(xiàn)最為出色的軟件，有了Multisim軟件，就相當(dāng)于擁有了一個(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。Multisim軟件的前身是加拿大IIT(ElectronicsWorkbench)，后來(lái)，EWB將原先版本中的仿真設(shè)計(jì)模板更名為Multisim，之后又相繼推出了Multisim2001、Multisim7等各個(gè)版本。2005年后，加拿大IIT公司隸屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司〔NationalInstrument，簡(jiǎn)稱NI公司〕，美國(guó)NI公司于2005年12月首次推出Multisim9版本。Multisim9最大的改變就是將Multisim的計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器進(jìn)行了完美的結(jié)合。2007年初該公司又推出了NIMultisim10版本。相對(duì)于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面，并且提供更加豐富的元件庫(kù)、儀表庫(kù)和各種分析方法。完全滿足電路中各種仿真需要。2010年1月NI公司下屬的ElectronicsWorkbenchGroup又推出了NIMultisim11。該版本是NI公司電子線路仿真軟件的最新版本。3.2各局部電路的仿真及調(diào)試本地振蕩電路的仿真結(jié)果如下圖12本地振蕩電路的仿真結(jié)果三極管混頻電路的仿真及調(diào)試：當(dāng)R4為時(shí)的輸出頻率和輸出波形如下所示：圖13R4為時(shí)的仿真結(jié)果從仿真結(jié)果看稍有失真，猜想可能是此時(shí)的R4=時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)制不是很理想，所以通過(guò)對(duì)滑動(dòng)變阻器R4的調(diào)試，應(yīng)該可以取得最大不失真信號(hào)。即當(dāng)R4=時(shí)，波形如下列圖14所示，明顯的失真更小，而當(dāng)R4=時(shí)，波形如圖15所示，波形又開始失真，所以當(dāng)R4=時(shí)，工作狀態(tài)最好。圖14R4=時(shí)的仿真結(jié)果圖15R4=時(shí)的仿真結(jié)果4總結(jié)本次的課程設(shè)計(jì)是使用multisim10軟件設(shè)計(jì)一個(gè)晶體三極管混頻器，系統(tǒng)的三個(gè)主要局部是本地振蕩電路、晶體管混頻器和選頻電路。在做課程設(shè)計(jì)之前復(fù)習(xí)之前學(xué)的高頻電子線路，把理論知識(shí)掌握然后根據(jù)理論去設(shè)計(jì)。通過(guò)查找資料，結(jié)合書中所學(xué)的知識(shí)并參考了多個(gè)相關(guān)的設(shè)計(jì)電路圖，在multisim軟件中繪制并仿真。在設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)中都遇到了很多問(wèn)題：首先，參數(shù)的選定很難，課堂上根本上是分析電路的原理功能和計(jì)算電路的性能指標(biāo)，很少要計(jì)算選定器件的參數(shù)，從資料或網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)很多都有問(wèn)題，必須經(jīng)過(guò)修正和調(diào)試才能確定出器件的參數(shù)，只有正確的參數(shù)，才能夠設(shè)計(jì)出我們所想要的輸出結(jié)果；其次有些時(shí)候理論上符合要求的電路，仿真后卻得不到相應(yīng)的結(jié)果。也正是這些問(wèn)題的出現(xiàn)，讓我學(xué)到了更多的知識(shí)，以及設(shè)計(jì)的技巧。出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，首先思考問(wèn)題的環(huán)節(jié)，然后通過(guò)上網(wǎng)查詢及翻閱相關(guān)書籍，請(qǐng)教其他同學(xué)在這個(gè)過(guò)程中對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)有了更深刻的了解，也明白了所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用范圍，收獲很多。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，讓我感受到理論應(yīng)用于實(shí)際中的難度，認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。我做的三極管混頻器所應(yīng)用到的理論知識(shí)都是書上的經(jīng)典知識(shí)點(diǎn)，因此對(duì)課本知識(shí)也有了進(jìn)一步的理解，也意識(shí)到自己對(duì)課本知識(shí)理解不夠到位，知識(shí)面不夠廣，分析電路也有點(diǎn)吃力，我想這對(duì)我以后的學(xué)習(xí)有很大的促進(jìn)作用。在之前的課程中雖然學(xué)習(xí)了很多的仿真軟件如：protel、protues等，但這次課程設(shè)計(jì)所用的multisim10軟件雖然沒有接觸過(guò)，但通過(guò)查閱相關(guān)的書籍、網(wǎng)上搜索，學(xué)會(huì)了這個(gè)軟件的使用，這個(gè)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室可以仿真各種電路。應(yīng)用過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)了這個(gè)軟件功能的強(qiáng)大，操作的簡(jiǎn)單，可以免去直接用硬件做實(shí)驗(yàn)帶來(lái)各種的麻煩。參考文獻(xiàn)[1]謝嘉奎，宣月清，馮軍.電子線路非線性局部〔第四版〕.高等教育出版社2010年[2]蔣卓勤，黃天錄，鄧玉元.M