高頻電子線路課件哈爾濱工程大學陽昌漢變頻電路

第九章變頻電路

第一節(jié)概述第二節(jié)晶體三極管混頻第三節(jié)場效應管混頻器第四節(jié)二極管混頻器第五節(jié)模擬乘法器混頻器第六節(jié)混頻器的干擾與失真

主要內(nèi)容：

2021/10/10星期日1第一節(jié)概述

一、變頻電路的功能1、變頻電路的功能是將已調(diào)波的載頻變換成固定的中頻頻率，而保持其調(diào)制規(guī)律不變。2、變頻電路功能的時域表示法和頻域表示法。

變頻電路的主要應用之一是用于超外差接收機中，將高頻載頻變換成固定中頻載頻信號，然后通過高性能的中頻放大器進行放大，使整個接收機靈敏度和選擇性大大提高。下圖是以輸入普通調(diào)幅波為例表示的輸入輸出波形以及輸入輸出的頻譜。時域表示法頻域表示法2021/10/10星期日2

二、變頻器的組成1、變頻器是由混頻器和本機振蕩器兩部分組成。①混頻器是由輸入回路、非線性器件和帶通濾波器組成②非線性器件用于頻率變換。常用的非線性器件有晶體三極管、二極管、場效應管、差分對管和模擬乘法器等。③輸入信號與本振信號通過非線性器件后會產(chǎn)生很多新的頻率分量。其通過帶通濾波器可選出其中之一，稱其為中頻頻率。若帶通濾波器取稱高中頻。若帶通濾波器取稱低中頻?；祛l器二、變頻器的組成1、變頻器是由混頻器和本機振蕩器兩部分組成。①混頻器是由輸入回路、非線性器件和帶通濾波器組成2021/10/10星期日3

三、變頻器的技術指標1、變頻增益①變頻電壓增益,

②變頻功率增益,2、選擇性，（通常用矩形系數(shù)表示）

3、噪聲系數(shù)

4、失直與干擾

2021/10/10星期日4第二節(jié)晶體三極管混頻器

一、晶體三極管混頻器的工作原理

1、下圖是晶體三極管混頻器的原理電路。其中為直流偏置電壓，為輸入信號，為本振信號。集電極回路調(diào)諧于中頻。2021/10/10星期日52、工作原理

一個大信號和一個小信號同時作用于非線性元件輸入信號：為小信號；本振信號：為大信號即晶體三級管的發(fā)射結加有三個電壓和，晶體三極管工作于非線性狀態(tài)。而對于來說，由于很小，可以認為是在的作用下，晶體管的工作點在變化。在每一個工作點，對來說都是工作于線性狀態(tài)，只不過不同的工作點其線性參量不同。這種隨時間變化的參量稱為時變參量。2021/10/10星期日6

3、晶體三極管混頻器的時變參量分析①混頻器的時變參量表示式晶體三極管的，正向傳輸特性為因為的值很小，在的變化范圍內(nèi)正向傳輸特性是線性的。所以，可以將函數(shù)在時變偏壓上展開成泰勒級數(shù)，則對于小信號，其高階導數(shù)很小，可近似為

式中，為時集電極電流；為時晶體三極管的跨導。由于本振電壓為大信號，工作于非線性狀態(tài)，和g均隨變化呈非線性，則式中，分別為時集電極電流中的直流、基波、二次諧波分量的幅值及跨導的平均分量、基波和二次諧波分量的幅值。2021/10/10星期日7

②輸入后產(chǎn)生的混頻電流

在輸入信號作用下，集電極電流為③通過帶通濾波器取出中頻

若中頻頻率取差頻，則混頻后通過帶通濾波器輸出中頻電流為其振幅為。表明中頻電流振幅與高頻輸入信號振幅成正比。若輸入信號為調(diào)幅波，，則輸出中頻電流為2021/10/10星期日8

④混頻器的變頻跨導

變頻跨導是輸出中頻電流振幅與輸入高頻信號振幅之比，即在數(shù)值上變頻跨導是時變跨導的基波分量的一半，可以通過的基波分量來求變頻跨導定義:

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二、晶體三極管混頻器的等效電路

◆由于本振電壓為大信號，對于輸入信號為小信號來說可以等效為時變參量的線性電路?？捎蒙蠄D所示電路等效?！糨斎牖芈氛{(diào)諧于，輸出回路調(diào)諧于，等效電路各參量可根據(jù)定義和混合等效電路求出。2021/10/10星期日10變頻電壓增益變頻功率增益

當相等時，輸出回路匹配，變頻功率增益最大。

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三、具體電路和工作狀態(tài)的選擇

1、晶體三極管混頻器的四種組態(tài)

根據(jù)輸入信號可構成共射和共基兩組態(tài)。而對本振電壓的注入可分從基極注入和發(fā)射極注入兩種組態(tài)，因此有四種組態(tài)2021/10/10星期日12圖（a）對為共射組態(tài)，輸入電阻高，變頻增益大。對是基極注入，輸入電阻大，易于起振。但兩者相互影響大，可能產(chǎn)生頻率牽引。圖（b）對信號為共射組態(tài)，輸入電阻高，變頻增益大。對是射極注入，輸入電阻小，本振負載較重，起振困難，但兩者相互影響小，不會產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象。圖（c）、（d）為共基組態(tài)，輸入阻抗小，變頻電壓增益小，高頻特性好，上限頻率高。頻率較低時不用。上圖說明2021/10/10星期日13

2、工作狀態(tài)的選擇變頻功率增益和噪聲系數(shù)的關系的實驗結果如圖所示。在100mV左右，在0.3~0.7mA為宜。2021/10/10星期日14

3、具體電路

收音機變頻電路2021/10/10星期日15電視機變頻電路2021/10/10星期日16第三節(jié)場效應管混頻器

結型場效應管混頻電路1、結型場效應管混頻電路如圖所示

一、結型場效應管混頻器2、結型場效應管在飽和區(qū)漏極電流與柵源電壓的關系

式中，時的為夾斷電壓。2021/10/10星期日17

3、混頻原理設輸入信號，本振信號。則式中為場效應管靜態(tài)工作點的值?？傻?/p>

可知，中含有直流等頻率分量，其中為高中頻和低中頻分量。若選用低中頻的帶通濾波器，則式中，為變頻跨導，其值為。若中頻帶通濾波器中心頻率為，且諧振電阻為，則混頻器輸出電壓為對于，則2021/10/10星期日18

二、雙柵絕緣柵場效應管混頻器

1、原理電路如圖所示

雙柵場效應管混頻電路2021/10/10星期日19

2、雙柵場效應管的特點及特性的表示式①．雙柵絕緣柵場效應管具有柵漏極間電容很小，正向傳輸導納較大，且受到雙重控制，很適合于作為超高頻段混頻器。②．雙柵絕緣柵場效應等，在放大區(qū)式中，，。其中是由直流偏置及管子本身所決定的常數(shù)。則3、混頻原理

在輸入信號，本振信號時，漏極電流中含有直流等頻率分量。經(jīng)帶通濾波器可取出中頻電流輸出中頻電壓為2021/10/10星期日20第四節(jié)二極管混頻電路

一、二極管平衡混頻器

1、原理電路如圖所示

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2、電路特點

①本振電壓足夠大，晶體二極管工作在受控制的開關狀態(tài)。②輸入回路的次級調(diào)諧于；輸出回路的初級調(diào)諧于。相當于兩個帶通濾波器。3、混頻原理分析①開關工作狀態(tài)下，流過二極管的電流②在無帶通濾波的條件下，流過輸出回路的電流為設，，則2021/10/10星期日22

③當輸出回路調(diào)諧于時，則輸出中頻電流為是由正向混頻產(chǎn)生的中頻電流和中頻輸出電壓反作用產(chǎn)生的中頻電流之差。

④．當輸入回路調(diào)諧于時，流過輸入回路初級的電流是是由在輸入回路中產(chǎn)生輸入電流和經(jīng)反向混頻產(chǎn)生輸入電流之差。

結論：二極管混頻器是一個能實現(xiàn)雙向混頻的電路2021/10/10星期日234、混頻器的等效電路

①等效電路由的關系式得出，其中，。2021/10/10星期日24

②混頻器工作于全匹配的條件由于混頻器等效電路是對稱的型雙口網(wǎng)絡，其特性電導的定義是在輸出端接入時，從輸入端看輸入電導為。同樣，當在輸入端接入時，從輸出端向里看的輸出電導為。因而。全匹配條件，，此時能獲得最大的功率傳輸。③全匹配條件下的變頻功率增益2021/10/10星期日25

三、二極管環(huán)形混頻器1、原理電路如圖所示

環(huán)形混頻器

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本振電壓足夠大，使處于開關工作狀態(tài)。本振電壓正半周，導通，截止，其開關函數(shù)為。本振電壓負半周，截止，導通，其開關函數(shù)為。輸入回路的次級調(diào)諧于，輸出回路的初級調(diào)諧于。相當于兩個帶通濾波器。2、原理分析

*在本振信號正半周，組成平衡混頻器*在本振信號負半周，組成平衡混頻器*無帶通濾波條件下，輸出電流2021/10/10星期日27

*

有帶通濾波器時，選出中頻電流*無帶通濾波條件下，輸入電流*

有帶通濾波器時，選出輸入電流3、結論環(huán)形混頻器與平衡混頻器相比，增加了兩個二極管，其輸出中頻電流和輸入電流都增大二倍。同時在輸出電流中進一步抵消了等分量。

2021/10/10星期日28第五節(jié)模擬乘法器混頻器

MC1596構成混頻器2021/10/10星期日29外來輸入信號加到1端。

輸入信號約為1.5mV，本振電壓約為100mV。

21354本振信號加到8端，7端交流接地。

6、9端分別接100電感到電源,對于工作頻率等效為電阻。

混頻器的中頻濾波器的中心頻率為9MHz。2021/10/10星期日30第六節(jié)混頻器的干擾與失真

混頻器存在的干擾：信號與本振的組合頻率干擾（主波道干擾）外來干擾與本振組合頻率干擾（副波道干擾）外來干擾與信號形成的交叉調(diào)制（交調(diào)干擾）外來干擾之間組合頻率干擾（互調(diào)干擾）包絡失真與強信號阻塞

2021/10/10星期日31一、信號與本振的組合頻率干擾（干擾哨聲）

1、信號頻率與本振頻率通過非線性器件產(chǎn)生的頻率①若非線性特性為，而，則會產(chǎn)生直流

②的頻率分量是混頻時，必須要有的項，因低中頻，高中頻。故非線性特性中必須有的乘積項。而帶通濾波器應根據(jù)需要濾除其中的個中頻，例如選低中頻應濾除，選高中頻應濾除。③非線性特性的三次方及其以上項會產(chǎn)生很多組合頻率（式中：，p、q為正整數(shù)或零。）2021/10/10星期日322、信號頻率與本振頻率的組合頻率干擾的條件

1．當滿足時，這個組合頻率將會與正常的一道通過中頻帶通濾波經(jīng)中頻放大器放大后送給檢波器。2．由于差頻不大為音頻，則送給檢波器會產(chǎn)生差拍檢波，產(chǎn)生音頻實現(xiàn)干擾常稱干擾哨聲。3．舉例：超外差接收機的中頻頻率，當某電臺發(fā)射載頻時正常的變頻過程是。但是由于非線性特性有三次方項，則。二者都可以通過中頻帶通濾波進行中頻放大，然后經(jīng)檢波器會產(chǎn)生1kHz的差拍檢波在終端揚聲器產(chǎn)生干擾哨聲。3、產(chǎn)生這樣干擾的原因非線性特性有三次方及以上項。4、減小這種干擾的方法選取理想二次方特性的場效應管或模擬乘法器作混頻器；采用二極管開關平衡混頻方式；對晶體三極管混頻器的本振信號選為大信號，也能減小干擾。2311232021/10/10星期日33二、外來干擾與本振組合頻率干擾（副波道干擾）

1、在混頻器的輸入回路選擇性不好的條件下，除正常輸入信號外，還有些其它頻率的強干擾信號通過輸入回路進入混頻器，統(tǒng)稱為外來干擾信號。外來干擾頻率通過非線性器件產(chǎn)生組合頻率。2、在接收某一給定信號頻率時，接收機會產(chǎn)生一個本振頻率，若取低中頻，則，由于輸入回路選擇性不好會有強干擾信號進入混頻器，其頻率與本振的組合頻率。只有和有可能通過的中頻帶通濾波器，若滿足或會產(chǎn)生干擾，稱為副波道干擾。

3、中頻干擾①當時，稱為中頻干擾。②產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，的強干擾信號進入混頻器通過非線性特性的一次方項，相當于放大由中頻選頻回路輸出，產(chǎn)生中頻干擾。③減小中頻干擾的方法提高輸入回路的選擇性，還可在混頻器輸入端增加一個中頻LC串聯(lián)陷波電路減小中頻干擾。

2021/10/10星期日344、鏡象頻率干擾當時，為正常接收。而稱為鏡象頻率干擾。②產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，的鏡象頻率干擾。

③減小鏡象頻率干擾的方法提高輸入回路的選擇性，選用高中頻可減小鏡象頻率干擾。5、副波道干擾

①當且滿足，稱為副波道干擾。②產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，在正常接收信號頻率時有一對應的，有一強干擾頻率進入混頻器與本振混頻，由于三次方及以上項產(chǎn)生的或，則會通過中頻帶通濾波器輸出，產(chǎn)生副波道干擾。③減小副波道干擾的方法提高輸入回路的選擇性，減小非線性特性的三次方及以上項產(chǎn)生的組合頻率，采用二極管平衡混頻、模擬乘法器混頻或具有理想平方律特性的場效應管混頻器。

①2021/10/10星期日35三、交叉調(diào)制干擾

1、在輸入回路的選擇性不好的條件下，在接收正常調(diào)幅信號的同時也有另一干擾調(diào)幅信號進入混頻器。在非線性特性有四次方及以上項時，就會產(chǎn)生交叉調(diào)制。其特征是，當接收的正常信號存在時有干擾，而接收的正常信號消失時，干擾也消失。2、交叉調(diào)制產(chǎn)生的原理①設三極管混頻器的非線性特性為作用在輸入端的電壓有信號電壓干擾電壓本振電壓

代入非線性特性表示式中，其中中的四階產(chǎn)物中的項中的項就是交調(diào)產(chǎn)物。說明傳送的除正常信息外，還有干擾信息及其諧波。②交叉調(diào)制干擾實質(zhì)上是通過非線性作用將干擾信號的包絡解調(diào)出來，而后調(diào)制到中頻載頻上去。沒有正常信號干擾也就不存在。2021/10/10星期日363、交叉調(diào)制干擾產(chǎn)生的原因輸入回路選擇性不好，有調(diào)幅的強干擾信號輸入，在非線性特性的四次方及以上項。4、減小交叉調(diào)制干擾的方法提高輸入回路的選擇性，減小非線性特性的四次方及以上項產(chǎn)生的組合頻率，采用二極管平衡混頻、模擬乘法器混頻或場效應管混頻。四、互調(diào)干擾

1、在輸入回路的選擇性不好的條件下，在接收正常輸入信號的同時，有兩個或多個強干擾信號進入混頻器。在非線性特性有三次方及以上項時，就會產(chǎn)生互調(diào)干擾。2、互調(diào)干擾產(chǎn)生的原理①設非線性特性有三次方項，其輸入端作用電壓有信號電壓干擾電壓本振電壓

輸入合成電壓，對于項中含有，則只要滿足就會產(chǎn)生互調(diào)干擾。2021/10/10星期日37例如

其中通過帶通濾波器產(chǎn)生互調(diào)干擾。②產(chǎn)生互調(diào)干擾的頻率條件3、互調(diào)干擾產(chǎn)生的原因輸入回路選擇性不好，有兩個或多個強干擾信號進入混頻器，非線性特性有三次方及以上