三极管混频器—高频课程设计.doc

通信电子线路课程设计说明书 三极管混频器 系 、 部： 电气与信息工程系专 业： 电子信息工程指导教师： 贾雅琼 职称 讲师完成时间： 2011年12月11日摘 要混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器。混频技术的应用十分广泛。混频器是超外差式收音机中的关键部件。直放式接收机高频小信号检波，工作频率变化范围大时，工作频率对高频通道的影响比较大，灵敏度较低。采用超外差技术后，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响，这样，频段内信号的放大一致性好，灵敏度可以做得很高，选择性也较好。因为放大功能主要在中放，可以用良好的滤波电路。采用超外差接收后，调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号的频率低，性能指标容易得到满足。混频器在一些发射设备中也是必不可少的。在频分多址信号的合成、微波接力通信、卫星通信等系统中也有其重要的地位。此外，混频器也是许多电子设备、测量仪器的重要组成部分。关键字 信号；频率；混频器 ABSTRACTFrequency mixing, say again, is also a kind of variable frequency spectrum of linear moving process, it is to make the signal from a certain frequency conversion to another frequency. Complete the functions of the circuit is called the mixer. Mixing technique used widely. The mixer is the superheterodyne key component. Straight put type small signal detection, high-frequency receivers working frequency variation range,the working frequency of high-frequency channels of influence is bigger, a low sensitiity. Using specialized superheterodyne technology after receiving signal frequency mixing into a fixed frequency, put large basic from receive frequency influence, such, frequency signal within the amplification good consistency, sensitivity can do so tall that selective is better also. Because magnifier function mainly in putting, can use good filter circuits. Using specialized superheterodyne after receipt and easy to adjust, put large, selectivity consists mainly of intermediate frequency part decision, and intermediate frequency is of high frequency signals low frequency,performance index easily be satisfied. The mixer in some launch equipment is also essential. In frequency division multiple access signal synthesis, microwave relay communications, satellite communications, etc system also has its important position. In addition, the mixer is also many electronic equipment, measurement instrument important component.Key words signal；frequency；mixer目 录摘 要1ABSTRACT21、混频器工作原理及系统框图42、主要部分电路图及原理分析52.1本地振荡电路 52.1.1振荡器起振条件 52.1.2电路参数选择及性能分析62.2变频电路72.2.1混频原理72.2.2电路参数选择及性能分析92.3中频滤波网络103、仿真及结果124、心得体会15参考文献16致 谢17附图1 总电路图181、 混频器工作原理及系统框图混频器是一种典型的线性时变参数电路，要完成频谱的线性搬移，关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成电路，它由非线性器件、本地振荡器和带通滤波器组成。其中混频电路输入的是载频为fC的高频已调波信号uc（t）和频率为fr的本地振荡信号ur（t），经过非线性器件变频后输出端有两个信号的差频fr - fC、和频fr+ fC及其他频率分量，再经滤波器滤掉不需要的频率分量，取差频或和频fI作为中频已调波信号uI（t），即中频fI= fr - fC，或fI=fr+ fC，从而实现变频作用。其工作原理图如图1.1所示。混频器中频谐振回路 fI本地振荡fr高频信号 fC 的图 1.1 系统原理图从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路和中频滤网络，各个部分独立工作。本地振荡器产生稳定的振荡信号（设其频率为fr）通过晶体管混频电路和输入的高频调幅波信号（设其频率为fC ），由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生fr+ fC、fr - fC频率的信号，然后通过中频滤波网络，取出fr - fC频率的信号，调节好fr、fC的大小使其差为中频频率，即所需要的中频信号6.455MHZ。2、主要部分电路图及原理分析2.1本地振荡电路本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高频调幅信号相乘得到fr+ fC、fr - fC的信号，其中fC为正弦信号频率，fr为调幅信号频率，通过中频滤波器得到中频信号fr - fC。即本地振荡器主要是产生一个和调幅信号相乘的高频信号，通过信号相乘以得到新的频率，若振荡器不能够稳定工作，就会使产生的中频信号不稳，为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这里采用高稳定度的石英晶体振荡器。2.1.1振荡器起振条件 正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图2.1所示即为LC三点式反馈式振荡器的原理图。通过我们对高频电路的学习知道，三点式振荡器的构成法则是：与的符号相同，与的符号则相反。凡是违反这一准则的电路不能产生振荡。图 2.1本振电路原理图2.1.2电路参数选择及性能分析 图2.2本振电路图图2.3 交流等效电路 图2.2是一种改进型的电容三点式振荡器，称为西勒振荡器，其交流等效电路如图2.3所示，由图可知，晶体管发射极和电容C1、C2相连其阻抗性质相同，同为容性；基极和C2、C3相连；集电极和C1、C4、L1相连同理其阻抗性质也是相反的，故此振荡器满足振荡条件，它的主要特点就是在回路电感L1两端并联了一个可变电容C4,而C3为固定值的电容器，回路的总等效电Ct=1/(1/C3+1/C1+1/C2)+C4C3+C42.1 振荡频率为 2.2 =16.455MHZ 2.3电路中其它主要器件的参数如下：Rb1=23K,Rb2=2K，Re=100为晶体管的直流偏置电路，用来给三极管确定一个合适的静态工作点。Cb=0.01uF为基极旁路电容，C5=1uF为旁路电容，C2=1uF为电源和地的去耦电容，C3可取100pF，C4可取100 pF ，由式2.3可求得L10.5uH。C1和C2只需远大于C3和C4且不宜过大即可，则C1可取500pF,C2可取550pF。2.2变频电路变频电路是混频器的核心部件。变频电路本质上说是实现频谱搬移的电路，是一个六端网络。它有两个输入电压，输入信号和本地振荡信号，其工作频率分别为和；输出信号为，称为中频信号，其频率是，=。由此可见，变频器在频域上起着（加）减法器的作用。变频电路有多种形式，如二级管式、模拟乘法器式和三极管式。本电路采用的是应用最广泛的晶体三极管式变频电路。2.2.1混频原理 图2.4 混频原理图 上图即为混频电路原理图，下面对其进行一个简要的分析：设为输入高频调幅波信号，亦为本地振荡器产生的高频振荡信号且 ，晶体管工作在线性时变工作状态，由此可得集电极电流为 经集电极谐振回路滤波后，得到中频电流 式中=称为变频跨导。 从以上分析结果可以看出：只有时变跨导的基波分量才能产生中频分量，而其它分量会产生本振谐波与信号的组合频率。变频跨导是变频器的重要参数，它不仅直接决定着变频增益，还影响到变频器的噪声系数。变频跨导=，只与晶体管特性、直流工作点及本振电压有关，与无关，故变频跨导亦有上述性质。基于此原理设计的变频电路如图2.5所示。 图2.5 变频电路2.2.2电路参数选择及性能分析由以上分析知在设计电路时须注意变频跨导与本振电压和偏置电压的关系线。只有把握好这一关系，设计出来的电路才能满足我们的设计要求。本文混频电路所采用的晶体三极管是2N2923，根据其变频跨导与本振电压和偏置电压的关系曲线设计电路如图2.5所示。 图中V3为16.455MHZ的本振信号UC(t)，函数信号发生器XFG1为10MHZ的正弦输入信号US(t),Ui(t)为输出信号：分析: 2.4 2.5 2.6其中：对上式进行三角函数的变换则有： 从上式可推出，UP(t)含有两个频率分量和为（），差为（），若选频网络是理想下边带滤波器则输出为：2.7若选频网络是理想上边带滤波器则输出为：2.8工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有。往往选频器的混频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，。 高频电路中的混频器利用电路中的非线性，可以对两个输入信号进行频率加或减，产生和信号或差频信号。本设计采用晶体三极管做混频电路，产生中频信号，将高频信号转化为低频信号。电路中其它一些重要的参数如下：电路图中函数信号发生器XFG1为混频器提供小信号，V3代表前面本振电路产生的振荡信号，R1=3K,R2=42K，R3=100为晶体管的直流偏置电路，用来给三极管确定一个合适的静态工作点。C2=0.01uF为基极旁路电容，C1=1nF，C3 =100pF，C4 =2.2pF为耦合电容。 另外在实际应用中变频器是存在干扰的，如果没有采取有效地措施来抑制干扰，它会给从电路带来大量谐波信号严重时会使整个电路无法工作，因此应注意以下几个问题：1、正确选择中频数值。当输出频率确定后，在一个频段内的干扰点就确定了，合理的选择中频频率，可大大减少组合频率干扰的点数，并将阶数较低的干扰排除掉。2、正确选择变频器的工作状态，减少组合频率分量。应使的谐波分量尽可能的减少，使电路接近乘法器。3、采用合理的电路形式。如平衡电路、环形电路、乘法器等，从电路上抵消一些组合分量。2.3中频滤波网络 在变频器的输出端不仅会输出我们需要的中频信号，同时也会输出一些我们不需要的信号，如频率为+的高频信号，另外也会出现一由于本振信号的失真以及电路的非线性引起的谐波信号，只有滤除这些信号才能得到我们想要的中频信号，因此需要在变频器的输出端加一中频滤波网络，另外中频滤波网络还能够对变频器输出的信号进行放大，以便于后续处理。 中频滤波电路在本设计中采用的是最简单的LC滤波电路如图2.6所示：图2.6 中频滤波电路滤波频率为： 2.9电路中参数如下： 取电感L1=10uH，已知输出中频信号频率f=6.455MHz，由式2.9可算得C160pF。C2为耦合电容。 3、仿真及结果本振信号： 图3.1本振信号波形 图3.2本振信号频率输入信号： 图3.3输入信号波形 图3.4输入信号频率输出信号： 图3.5输出信号波形 图3.6输出信号频率4、心得体会通过这次课程设计，我学到了很多。开始的时候,由于课本知识学的不很牢固，所以思路不是很清晰，不知道该如何开始设计。随后通过复习教材，上网搜索，到图书馆查阅资料，终于有了一些清晰的想法。确定下了基本的设计方案。但是在设计的时候又出现了很多问题。问题的出现都是由于课本的基础知识掌握的不够牢固，理解的不够深刻，对于实际应用中的电路和理论上研究的电路之间的差异缺乏