第6章混频2011

1、第第6 6章章 混频混频第第6章章 混混 频频6.1 概述和概述和混频混频信号信号 6.2 混频原理和电路混频原理和电路6.3 混频器的主要指标混频器的主要指标6.4 混频器的干扰混频器的干扰和失真和失真第第6 6章章 混频混频6.1 概述和混频信号概述和混频信号 混频混频(或变频或变频)是是将信号的频率由一个数值变换成另一将信号的频率由一个数值变换成另一个数值的过程个数值的过程。完成这种功能的电路叫混频器。完成这种功能的电路叫混频器(或变频器或变频器)。 在在外差式接收机外差式接收机中，混频器的作用是在保证调制信号中，混频器的作用是在保证调制信号不失真的前提下，将接收到的已调波的不失真的前提

2、下，将接收到的已调波的载频载频fs变换为变换为中频中频fI。为此，接收机中需要一个本机振荡器作为频率源，产生本为此，接收机中需要一个本机振荡器作为频率源，产生本机振荡频率机振荡频率fL，并满足如下载频关系：，并满足如下载频关系： fI = fL + fs 称为上混频称为上混频(高中频高中频) 或或 fI = fL fs 称为下混频称为下混频(低中频低中频) 广播接收机通常采用下混频广播接收机通常采用下混频第第6 6章章 混频混频 实际中，要求接收机能够接收多个频道信号，此时需实际中，要求接收机能够接收多个频道信号，此时需要保持中频要保持中频fi恒定恒定(如广播收音机为如广播收音机为465kHz

3、，电视接收机为电视接收机为38MHz等等)，以使后级中放的性能固定。因而要求本振频，以使后级中放的性能固定。因而要求本振频率率fl能够跟踪输入载频的变化，使其频率始终比接收频率能够跟踪输入载频的变化，使其频率始终比接收频率高出一个固定中频值。高出一个固定中频值。 采取混频措施后，提高了接收机的采取混频措施后，提高了接收机的接收灵敏度接收灵敏度和和选择性选择性。lfifilsfff sf恒定恒定第第6 6章章 混频混频 除外差式接收机外，电视差转机中收发频道的转换，除外差式接收机外，电视差转机中收发频道的转换，卫星通信中上行、下行频率的变换等都必须用到混频器。卫星通信中上行、下行频率的变换等都必

4、须用到混频器。 更一般地说，更一般地说，混频器是实现两个信号频率加混频器是实现两个信号频率加、减运减运算的电路。因此，它也是组成频率合成器的基本部件算的电路。因此，它也是组成频率合成器的基本部件。混频器的其它应用混频器的其它应用第第6 6章章 混频混频 根据混频器功能，已调波在混频前后其波形和频谱变换如下根据混频器功能，已调波在混频前后其波形和频谱变换如下:第第6 6章章 混频混频 混频电路的组成框图如下混频电路的组成框图如下 中心频率为中频中心频率为中频带宽带宽B=2Fmax 实现模型实现模型 第第6 6章章 混频混频 6.2.1 晶体管混频器晶体管混频器 6.2 混频电路混频电路 us=U

5、sm(t)cosst为输入已调波信号。为输入已调波信号。 u1=Ulmcoslt为本振信号为本振信号谐振负载为调谐于中频谐振负载为调谐于中频 i = l -s fi = fl - fs且带宽大于输入信号带宽的带通滤波器。且带宽大于输入信号带宽的带通滤波器。 通常满足通常满足 us u1 。第第6 6章章 混频混频 由于满足由于满足 usUsm， 栅极回路的直流电压源UGG提供场效应管的夹断电压UGS(off)， LC并联谐振回路的谐振频率0=lc， 带宽BWBPF2，谐振电阻为Re。 写出时变静态电流I0(t)和时变电导g(t)的表达式并画出波形， 写出混频跨导gc和中频已调波ui的表达式。第

6、第6 6章章 混频混频图6.2.8第第6 6章章 混频混频解： 因为UGG=UGS(off)， 所以在UlmUsm的条件下， 场效应管的工作状态近似取决于ul的正负。 利用单向开关函数k1(lt)，漏极电流:)()(2)()()(1)(1l12s2GS(off)DSSl1sl2GS(off)DSSl12l2GS(off)DSSl12GS(off)slDSSl12GS(off)slGGDSSl12GS(off)GSDSSDtkuUItkuuUItkuUItkUuuItkUuuUItkUuIi第第6 6章章 混频混频因为UlmUsm， 所以iD表达式的第三项可以忽略， 则)(2)(l1l2GS(o

7、ff)DSStkuUItgs0l1sl2GS(off)DSSl12l2GS(off)DSSD)()()(2)(utgtItkuuUItkuUIi)()(l12l2GS(off)DSS0tkuUItI将ul=Ulm coslt和k1(lt)的展开式代入第第6 6章章 混频混频tutttUUItIicsmllllm2GS(off)DSS0Dcos3cos32cos221cos2)(smlm2GS(off)DSSsmlm2GS(off)DSSim2121221uUUIuUUIi其中 中频电流为： 混频跨导为：lm2GS(off)DSSsmimc21UUIuig 中频已调波：ttUUUIRtuUUIR

8、tiRu)cos(cos21cos21cosclsmlm2GS(off)DSSeismlm2GS(off)DSSeiimei第第6 6章章 混频混频双栅极场效应管混频器双栅极场效应管混频器 与晶体三极管混频相比，由于场效应管具有平方律与晶体三极管混频相比，由于场效应管具有平方律特性，所以场效应管混频器具有动态范围大，非线性特性，所以场效应管混频器具有动态范围大，非线性失真小，更适于高频工作的特点。目前应用比较广泛失真小，更适于高频工作的特点。目前应用比较广泛的是双栅场效应管混频器。的是双栅场效应管混频器。 双 栅双 栅 M O S 场 效 应 管 又 简 称场 效 应 管 又 简 称DGMOS

9、。它的表示符号如图所示。它的表示符号如图所示。 离源极近的栅极离源极近的栅极G1叫第一栅极，叫第一栅极，离漏极近的栅极离漏极近的栅极G2叫第二栅极。其叫第二栅极。其转移特性如下图所示：转移特性如下图所示：第第6 6章章 混频混频 DGMOS的转移特性的转移特性可 见 第 二可 见 第 二栅 极 电 压栅 极 电 压uG2S可以控可以控制管子的制管子的iD：uG2S越大，越大， iD越大。越大。 第第6 6章章 混频混频第第6 6章章 混频混频 1. 做高频放大器管。做高频放大器管。G2交流接地，将交流接地，将G1和漏极和漏极D屏蔽，其极间电容可小到屏蔽，其极间电容可小到0.030.05pF，从

10、而使放大器，从而使放大器的工作频率大大提高。的工作频率大大提高。DGMOS管的应用管的应用 3. 做混频管。利用做混频管。利用DGMOS管做混频器时，信号由管做混频器时，信号由第一栅极第一栅极G1输入，本振电压由第二栅极输入，本振电压由第二栅极G2注入；通过注入；通过本振电压对本振电压对DGMOS管跨导的控制实现混频。管跨导的控制实现混频。DGMOS管的跨导与两个栅极电压的关系如下图所示：管的跨导与两个栅极电压的关系如下图所示： 2. 做增益可控放大器。通过改变第二栅极的直流做增益可控放大器。通过改变第二栅极的直流电压可以构成可控增益放大器。电压可以构成可控增益放大器。第第6 6章章 混频混频

11、 DGMOS管的跨导与两个栅极电压的关系管的跨导与两个栅极电压的关系可 见 第 二可 见 第 二栅 极 电 压栅 极 电 压uG2S可以控可以控制 管 子 的制 管 子 的跨导：跨导：uG2S越 大 ， 其越 大 ， 其跨导越大。跨导越大。 第第6 6章章 混频混频6.2.3 差分对放大器混频差分对放大器混频输出电流io与两个输入电压u1和u2的关系为TUuRUUui2th1EEEBE(on)2o当u1=us=usm cosct， u2=ul=Ulm coslt时， 如果us的振幅远小于热电压UT， 则有:ssEEEBE(on)lsEEEBE(on)lsEEEBE(on)lo)(222thut

12、guURUUuUuRUUuUuRUUuiTTT第第6 6章章 混频混频ul=Ulmcosltus=Usm (t) cosst1. 单二极管混频电路单二极管混频电路 通常满足：通常满足：us ul，ui 0时时， VD 导通导通 ：()DDSliiguuu当当ul 1。本振电压越大，二极管导通电阻。本振电压越大，二极管导通电阻越小，则混频损耗越小。越小，则混频损耗越小。第第6 6章章 混频混频isusus2us2i1VD1VD2i2VD4VD3ui2ui2ii1212uiRLu12121i3i42. 二极管环形混频器二极管环形混频器 二极管环形混频器电路与二极管环形调制器电路形二极管环形混频器电

13、路与二极管环形调制器电路形式相同，如图所示。式相同，如图所示。第第6 6章章 混频混频11213141()()22()()22()()22()()22siDllsiDllsiDllsiDlluuig ktuuuig ktuuuig ktuuuig ktu第第6 6章章 混频混频12211()()22iiiDlsDiiiig kt ug u112123411()()21()()2iDlsiiDlsiiiig kt uuiiig ktuu112iDsmDimIg Ug U根据上式导出输出中频电流的幅值为根据上式导出输出中频电流的幅值为输出中频电流分别是输出中频电流分别是与单二极管混频器的中频电流振

14、幅相同。与单二极管混频器的中频电流振幅相同。第第6 6章章 混频混频输入信号电流分别是输入信号电流分别是14232211()2211()22DlDsDliDlDsDliiig ug ug kt uiig ug ug kt u 第第6 6章章 混频混频14322111()()()222sDsDliiiiiig ug kt u输入信号电流分别是输入信号电流分别是14232211()2211()22DlDsDliDlDsDliiig ug ug kt uiig ug ug kt u 112sDsmDimIg Ug U根据上式导出输入信号电流的幅值为根据上式导出输入信号电流的幅值为与单二极管混频器的输

15、入信号电流振幅相同。与单二极管混频器的输入信号电流振幅相同。第第6 6章章 混频混频 通过以上分析可知，由于输入、输出变压器初、次通过以上分析可知，由于输入、输出变压器初、次级匝数比分别选择了级匝数比分别选择了2:1和和1:2，因而二极管环形混频器，因而二极管环形混频器具有与单管混频器相同的混频等效电路和增益。具有与单管混频器相同的混频等效电路和增益。 与其它混频器相比，二极管混频器具动态范围大、与其它混频器相比，二极管混频器具动态范围大、线性好、工作频率高、噪声系数小等优点，因而在微波线性好、工作频率高、噪声系数小等优点，因而在微波段范围作为频率变换模块得到广泛应用。段范围作为频率变换模块得

16、到广泛应用。 环形混频器采用了双平衡结构，抵消了电流中的本环形混频器采用了双平衡结构，抵消了电流中的本振频率及众多组合频率分量振频率及众多组合频率分量，从而减小混频失真和混频从而减小混频失真和混频中特有的组合频率干扰，另外也大大减小了本振信号的中特有的组合频率干扰，另外也大大减小了本振信号的辐射泄漏。辐射泄漏。第第6 6章章 混频混频8 LO1 RF562I F347u2+-+-u1LO: 本振信号端本振信号端IF: 中频信号端中频信号端RF: 射频信号端射频信号端环形混频器组件环形混频器组件二极管采用肖特基低噪声二极管二极管采用肖特基低噪声二极管变压器采用传输线变压器。变压器采用传输线变压器

17、。第第6 6章章 混频混频 二极管混频电路二极管混频电路 已调波信号为已调波信号为 us=Usm(t)cosst本振信号为本振信号为 u1=Ulmcoslt中频中频 i = l -s 通常满足通常满足 us2) 的众多无用频率分量。其中，若存在满足的众多无用频率分量。其中，若存在满足fpq=fif 的的频率分量，则该分量将进入中频放大器频率分量，则该分量将进入中频放大器(带宽为带宽为 2f )，对接收信号形成干扰。对接收信号形成干扰。 这种干扰表现为单音啸叫声，所以又称为干扰哨声。这种干扰表现为单音啸叫声，所以又称为干扰哨声。因此，能形成这种干扰的输入信号频率应满足因此，能形成这种干扰的输入信

18、号频率应满足 pf1qfs=fif 和和 qfspf1=fif1islfpfffqqq从而解得从而解得将将f1=fs+fi关系代入，可得关系代入，可得 第第6 6章章 混频混频 通常通常ffi，上式可近似表示成，上式可近似表示成1sipfffqpqp其中，其中，fs / fi称为混频比。满足上式的称为混频比。满足上式的p 、 q数很多，它数很多，它们的分布列于下表中们的分布列于下表中。由于阶数。由于阶数n=p+q 越大，其组合频越大，其组合频率分量的幅度越小，所以率分量的幅度越小，所以5阶以上的组合干扰可忽略。阶以上的组合干扰可忽略。11ssiipfpffqpfqp或或 第第6 6章章 混频混

19、频 例如，广播接收机的中波段频率为例如，广播接收机的中波段频率为5351605kHZ，中频为，中频为465kHZ，则混频比，则混频比根据分布表可查得根据分布表可查得10阶以下的组合频率干扰阶以下的组合频率干扰编号有：编号有：53516051.153.45465465siff第第6 6章章 混频混频表表6.1 信号频率与本振频率组合干扰分布表信号频率与本振频率组合干扰分布表 /1.153.45siff 第第6 6章章 混频混频 编号编号2 、4 、6 、7 、10 、11 、14 、15共共8个频率点。其个频率点。其中，中，2 号是号是p=1，q =2即即3阶项的组合干扰。由式可得阶项的组合干扰

20、。由式可得11 14659302 12 1sipffffkHZkHZfqpqp 如某电台如某电台fs=932kHZ，则接收机本振频率，则接收机本振频率fl=932+465 =1397kHZ。 3阶项的组合干扰频率阶项的组合干扰频率2fsfl=2932 1397 =467kHZ，正好落在中放的通带内，相当于有用的中频，正好落在中放的通带内，相当于有用的中频边带信号中混入了边带信号中混入了2kHZ的干扰，经检波、低放后扬声器的干扰，经检波、低放后扬声器会发出会发出2kHZ的啸叫声。的啸叫声。第第6 6章章 混频混频2. 外来干扰与本振的组合频率干扰外来干扰与本振的组合频率干扰 这种干扰是由外来干扰

21、信号与本振组合形成的干扰。这种干扰是由外来干扰信号与本振组合形成的干扰。 正常情况下，接收台信号与本振混频得到中频正常情况下，接收台信号与本振混频得到中频fi=f1-fs，这个通道叫主波道。而外来的干扰与本振组合形成中频的这个通道叫主波道。而外来的干扰与本振组合形成中频的通道叫副波道或寄生通道。通道叫副波道或寄生通道。 当混频器输入有用信号当混频器输入有用信号us=Usm(t)cosst的同时窜入了的同时窜入了其它台信号其它台信号uM=UM (t)cosMt，若该信号与本振的组合频率，若该信号与本振的组合频率正好等于中频，就能通过中放从而形成对有用信号的干扰正好等于中频，就能通过中放从而形成对

22、有用信号的干扰。因此，能够形成干扰的外来信号因此，能够形成干扰的外来信号uM应满足如下的频率关系：应满足如下的频率关系：第第6 6章章 混频混频lMiMlipfqffqfpff 由此导出干扰频率由此导出干扰频率fM与接收频率与接收频率fs、中频频率、中频频率fi的的关系是关系是 即满足上式频率关系的外来信号都会形成干扰。即满足上式频率关系的外来信号都会形成干扰。称这些频率通道为寄生通道，通过这些通道形成的干称这些频率通道为寄生通道，通过这些通道形成的干扰叫副波道干扰。显然，组合干扰的阶数越低，影响扰叫副波道干扰。显然，组合干扰的阶数越低，影响越大。其中干扰较强的有：越大。其中干扰较强的有：1M

23、sippfffqq第第6 6章章 混频混频 . p=0，q =1，干扰频率：，干扰频率：1Msiippffffqq2Msifff. p=1，q =1，干扰频率：，干扰频率： 即所处的位置在信号即所处的位置在信号频率相对本振频率的镜像频率相对本振频率的镜像位置，故称镜频干扰。位置，故称镜频干扰。即为中频干扰。即为中频干扰。镜频干扰镜频干扰第第6 6章章 混频混频P=q=2的的4阶项影阶项影响最大响最大 . 其他的寄生通道干扰可分为两类，第一类是其他的寄生通道干扰可分为两类，第一类是p=q 的寄生通道干扰；第二类是的寄生通道干扰；第二类是pq的寄生通道干扰。的寄生通道干扰。 第一类寄生通道干扰频率

24、第一类寄生通道干扰频率s111Msiiilippffffffffqqqq 其干扰频率的分布如图其干扰频率的分布如图第第6 6章章 混频混频 第二类第二类pq寄生通道干扰频率：寄生通道干扰频率： 1Msippfffqq 这种组合频率干扰表现为收听有用电台信号时串入这种组合频率干扰表现为收听有用电台信号时串入其他电台的干扰。其原因是在接收有用电台时，干扰泄其他电台的干扰。其原因是在接收有用电台时，干扰泄漏到混频器的输入端所致。所以减少这种干扰的措施是漏到混频器的输入端所致。所以减少这种干扰的措施是提高前级电路的滤波性能，设法减小混频器输入端干扰提高前级电路的滤波性能，设法减小混频器输入端干扰电压的

25、幅度。选用高中频方案，可使寄生通道的频率远电压的幅度。选用高中频方案，可使寄生通道的频率远离信号频率。离信号频率。 如如p=1，q=2，则干扰频率为，则干扰频率为111 11222Msisisppffffffqq第第6 6章章 混频混频3.交叉调制干扰交叉调制干扰 当混频器的输入端同时存在有用的信号当混频器的输入端同时存在有用的信号 us=Usm(t)cosst和干扰信号和干扰信号uM=UM (t)cosMt 时，由于混时，由于混频非线性特性的频非线性特性的4阶项产生乘积项阶项产生乘积项12a4u2Musu1 ，其中，其中因而包含有中频信号的该乘积项，其中频幅值等于因而包含有中频信号的该乘积项，其中频幅值等于221( )( )(1 cos2)2MMMutUtt243( )( )Msmima Ut Ut U即正比于干扰信号幅度即正比于干扰信号幅度UM的平方。的平方。第第6 6章章 混频混频 因此作为广播接收时，扬声器在发出接收因此作为广播接收时，扬声器在发出接收台信号声的同时也会听到干扰台信号的声音。台信号声的同时也会听到干扰台信号的声音。且且接收台信号减弱时，干扰声减小，接收台停接收台信号减弱时，干扰声减小，接收台停播时，则干扰台的声音也随即消失。