高频电子线路--9

1、第九章第九章 变频电路变频电路 第一节 概述第二节 晶体三极管混频器第三节 场效应管混频器第四节 二极管混频器第五节 模拟乘法器混频器第六节 混频器的干扰与失真本章教学主要内容：本章教学主要内容：一、掌握变频电路的功能及组成。二、掌握典型混频器的电路组成、工作原理和性能特点。三、了解变频干扰的来源和抑制方法。本章教学基本要求：本章教学基本要求：上一页下一页首页退出第一节 概述 一、变频电路的功能一、变频电路的功能（一）变频电路的功能是将已调波的载频变换成固定的中频频率，而保持其调制规律不变。（二）由于是线性频谱搬移电路，对于调幅波、调频波或调相波通过变频电路后，仍然是调幅波、调频波或调相波。（

2、三）功能的时域和频域表示法。图9-1 变频电路的功能 （四）变频电路的主要应用之一是用于超外差接收机中，将高频载频变换成固定中频载频信号，然后通过高性能的中频放大器进行放大，使整个接收机灵敏度和选择性大大提高。图9-1是以输入为普通调幅波为例表示的输入输出波形以及输入输出的频谱。(1sin)sinssmasuUmtt上一页下一页首页退出第一节 概述图9-2 变频器的组成（一）变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。（二）混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成。（三）非线性器件用于频率变换。常用的非线性器件有晶体三极管、二极管、场效应管、差分对管和模拟乘法器等。二、变频器的组成二、变频器

3、的组成（四）输入信号 与本振信号 通过非线性器件后会产生很多新的频率分量。其中含有的 项就含有中频分量。例如 ,则 中含有 和 的频率成分。通过带通滤波器可选出其中之一，称其为中频频率。若带通滤波器取 称高中频。若带通滤波器取 称低中频。suLusLu ucoscossLsmLmsLu uU UttLsLsLsILsIcos,cosssmsLLmLuUt uUt上一页下一页首页退出第一节 概述三、变频器的技术指标三、变频器的技术指标（一）变频增益（一）变频增益1变频电压增益 ucAIm()()ucsmUAU输出中频电压振幅输入高频信号电压振幅2变频功率增益 pcA()()IpcSPAP输出中频

4、信号功率输入高频信号功率（二）选择性，（通常用矩形系数表示）（二）选择性，（通常用矩形系数表示） （三）噪声系数（三）噪声系数 FN（四）失真与干扰（四）失真与干扰 （五）因为 都是高频，用带通滤波器不可能取出 ，只能根据实际需要选低中频 或高中频 。Lsff和LsILsILs上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 一、晶体三极管混频器的工作原理一、晶体三极管混频器的工作原理图9-3混频器原理性电路（一）图9-3是晶体三极管混频器的原理电路。其中 为直流偏置电压， 为输入信号， 为本振信号。集电极回路调谐于中频 。bbVsuLuI上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 图9-4一个

5、大信号和一个小信号同时作用于非线性元件（二）电路的输入条件是， 为小信号； ， 为大信号。这样，晶体三级管的集电极电流 是在 和 的共同作用下产生的。如图9-4所示。晶体三极管在 和 的作用下是工作于非线性状态。而对于 来说，由于 很小，可以认为是在 的作用下，晶体管的工作点在变化。在每一个工作点，对 来说都是工作于线性状态，只不过不同的工作点其线性参量不同。这种随时间变化的参量称为时变参量。cosssmsuUtcosLLmLuUtLmsmUUcibbLVu、subbLVu、sususubbLVusu上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 （三）晶体三极管混频器的时变参量分析（三）晶体三

6、极管混频器的时变参量分析1混频器的时变参量表示式晶体三极管的 ，正向传输特性为 coscosbebbLmLsmsuVUtUt()cbeceif uu、因为 的值很小，在 的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可以将函数 在时变偏压 上展开成泰勒级数，则 ceusu( )bbLVut()cbeif u21( )( )( )( )( )2cbbLbbLsbbLsif Vu tf Vu tu tfVu tu t对于小信号 ，其高阶导数很小，可近似为 su( )( )( )cbbLbbLsif VutfVutu t式中， 为 时集电极电流； 为 时晶体三极管的跨导。 ( )bbLf Vut( )be

7、bbLuVut( )bbLbeicf Vu tgu( )bebbLuVutsu()cbeif u因为 对 的影响远小于 对 的影响，于是cicibeu上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 2输入 后产生的混频电流 su在输入信号 作用下，集电极电流为 ( )cosssmsu tUt01201210120122( )( )( )(coscos2)(coscos2)coscoscos2coscos()2cos()cos(2)cos(2222cbbLbbLscc mLc mLLLsmscc mLc mLsmsLsLsLsLsif Vu tf Vu tu tIItItggtgtUtgIItIt

8、Ugttgggtt)t由于本振电压为大信号，工作于非线性状态， 和g均随 变化呈非线性，则 ( )bbLf Vut( )Lut012( )coscos2bbIcc mLc mLf Vu tIItIt012( )( )coscos2bbLLLfVutg tggtgt式中， 分别为 时集电极电流中的直流、基波、二次谐波分量的幅值及跨导的平均分量、基波和二次谐波分量的幅值。012012cc mc mIIIggg、 、( )bwbbLuVu t上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 4混频器的变频跨导 cg变频跨导是输出中频电流振幅 与输入高频信号振幅 之比，即 ImIsmUIm112smIcU

9、gg在数值上变频跨导是时变跨导 的基波分量的一半，可以通过 的基波分量 来求变频跨导( )g t( )g t1g11( )cosdLLgg ttt111( )cosd22cLLggg ttt3通过带通滤波器取出中频 若中频频率取差频 ，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为 ILs1cos()2IsmLsgiUt其振幅为 。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅 成正比。 Im112smIgUsmU若输入信号为调幅波， ，则输出中频电流为 (1cos)cossmasUmtt11(1cos)cos2IsmaIigUmtt上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 图9-5混频器等效电路 二、晶体三极

10、管混频器的等效电路二、晶体三极管混频器的等效电路 由于本振电压为大信号，对于输入信号 为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路。可用图9-5所示电路等效。su输入回路调谐于 ，输出回路调谐于 ，等效电路各参量可根据定义和混合 等效电路求出。sI变频电压增益Im0cucsmcLgUAUgg变频功率增益 20cILpcScLicgPgAPggg当 相等时，输出回路匹配，变频功率增益最大。 Locgg与2max04cpciccgAg g上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 三、具体电路和工作状态的选择三、具体电路和工作状态的选择 根据输入信号 可构成共射和共基两组态。而对本振电压的注入可分从

11、基极注入和发射极注入两种组态，因此有四种组态。su图9-6 混频器的四种组态 图（a）对 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 是基极注入，输入电阻大，易于起振。但两者相互影响大，可能产生频率牵引。suLuLu图（b）对 相当于共基起振不易，但两者相互影响小。 图（c）、（d） 为共基组态高频特性好，上限频率高。su（一）晶体三极管混频器的四种组态（一）晶体三极管混频器的四种组态上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 （二）具体电路（二）具体电路 图9-7 收音机变频电路图9-7是收音机中常用的变频电路。晶体管除了完成混频任务外，还兼作本机振荡器的振荡管，为互感耦合的自激振荡器。本振电

12、压由电容耦合到晶体管的发射极。 上一页下一页首页退出第二节 晶体三极管混频器 （三）工作状态的选择（三）工作状态的选择晶体三极管混频器的参数随着管子的工作状态变化而变化。工作状态是由直流偏压和本振电压的幅值来决定。选择晶体三极管混频器的原则是变频功率增益大和噪声系数小。变频功率增益 和噪声系数 的关系的实验结果如图9-8所示。 在100mV左右， 在0.30.7mA为宜。 pcAFLmeQNUI与、LmUeQI图9-9Apc和NF与ULm、IeQ的关系 上一页下一页首页退出第三节 场效应管混频器 图9-10结型场效应管混频电路（一）结型场效应管混频电路如图（一）结型场效应管混频电路如图9-9所

13、示。所示。 一、结型场效应管混频器一、结型场效应管混频器（二）结型场效应管在饱和区漏极电流（二）结型场效应管在饱和区漏极电流 与栅源电压与栅源电压 的关系的关系 DiGsu21GsDDsspUiIU式中， 时的 为夹断电压。0DssGsIu为,DpiU上一页下一页首页退出第三节 场效应管混频器 （三）混频原理（三）混频原理cosssmsuUtcosLLmLuUt设输入信号 ，本振信号 。则 GsGsQsLuUuu式中 为场效应管静态工作点的 值。可得 GsQUGsU2222221222222GsQsLDDsspDsspGsQsLpGsQpspLGsQsGsQLsLpUuuiIUIUUuuU U

14、U uU uUuUuu uU可知， 中含有直流、 等频率分量，其中 为高中频和低中频分量。若选用低中频的带通滤波器，则 Di22ssLLLs、 、Ls2cos()cosDssIsmLmLscsmIpIiU Utg UtUcg2/DssLmpIUU式中， 为变频跨导，其值为 。若中频带通滤波器中心频率为 ，且谐振电阻为 ，则混频器输出电压为 ILsLRcosIcLsmIug R Ut对于 ，则 (1cos)cosssmasuUmtt(1cos)cosIcLsmaiug R Umtt上一页下一页首页退出第三节 场效应管混频器 二、双栅绝缘栅场效应管混频器二、双栅绝缘栅场效应管混频器 （一）原理电路

15、如图（一）原理电路如图9-10所示所示 图9-10双栅场效应管混频电路上一页下一页首页退出第三节 场效应管混频器 （二）双栅场效应管的特点及特性的表示式（二）双栅场效应管的特点及特性的表示式1双栅绝缘栅场效应管具有栅漏极间电容很小，正向传输导纳较大，且受到双重控制，很适合于作为超高频段混频器。 2双栅绝缘栅场效应等，在放大区 12DmsmLig ugu式中， 。其中 是由直流偏置及管子本身所决定的常数。则 10122012,msLmsLgaa ua ugbbub u012012aaabbb、 、 、 、 、220012()DsLsLsLia ub uab u uaub u（三）混频原理（三）混

16、频原理 在输入信号 ，本振信号 时，漏极电流中含有直流 、 等频率分量。cosssmsuUtcosLLmLuUtsL、22LssL、 、经带通滤波器可取出中频电流 211()cos()2ILmsmLsiab U Ut输出中频电压为 2121()cos2ILmsmIuab R U Ut上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 一、二极管平衡混频和环形混频器的优点一、二极管平衡混频和环形混频器的优点 电路结构简单、噪声低、动态范围大、组合频率分量少。如果采用肖特基表面势垒二极管，它的工作频率可高达微波频段，在通信设备中得到广泛的应用。 二、二极管平衡混频器二、二极管平衡混频器 （一）原理电路如图

17、（一）原理电路如图9-11所示。所示。 图9-11 平衡混频器原理电路 上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 （二）电路条件（二）电路条件 1本振电压 足够大，晶体二极管工作在受 控制的开关状态。2输入回路的次级调谐于 ；输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。LuLusI（三）混频原理分析（三）混频原理分析1开关工作状态下，流过二极管 的电流 12DD、12;22sIsIdLLdLLuuuuig ktuig ktu2在无带通滤波的条件下，流过输出回路的电流为 12()()dLsIiiig kt uu设 ，则 Imcos,cosssmsIIuUt uUtImImImImIm122c

18、oscos3coscos2311111coscoscoscoscos22111cos3cos 32331cos 33dLLsmsIdsmsdIdsmLsdsmLsdLIdLIdsmLsdsmLsdLigttUtUtg Utg Utg Utg Utg Utg Utg Utg Utg UIm1cos 33IdLItg Ut上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 3当输出回路调谐于 时，则输出中频电流为ILsIm11coscos2IdsmIdIig Utg Ut是由 正向混频产生的中频电流和中频输出电压反作用产生的中频电流之差。 sLuu和4当输入回路调谐于 时，流过输入回路初级的电流是 sIm

19、Im1111coscoscoscos22sdsmsdLIdsmsdsig Utg Utg Utg Ut是由 在输入回路中产生输入电流和 经反向混频产生输入电流之差。 suILuu与（四）混频器的等效电路（四）混频器的等效电路 1等效电路 图9-12 二极管开关混频器等效电路 由 的关系式得出，其中 。sIii和21/,(1/2 1/)ddgggg上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 由于混频器等效电路是对称的 型双口网络，其特性电导 的定义是在输出端接入 时，从输入端看输入电导为 。同样，当在输入端接入 时，从输出端向里看的输出电导为 。因而 。 0g0Lgg0g0sgg0g201122

20、ggg g全匹配条件 ，此时能获得最大的功率传输。 00,Lsgggg3全匹配条件F的变频功率增益 2222120IILpcucSssucPU gAAPU ggAggg2混频器工作于全匹配的条件上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 三、二极管环形混频器三、二极管环形混频器（一）原理电路如图（一）原理电路如图9-13所示所示 图9-13 环形混频器 上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路 1本振电压 足够大，使 D1、D2、D3、D4处于开关工作状态。本振电压正半周，D1、D2导通，D3、D4截止，其开关函数为 。本振电压负半周， D1、D2截止， D3、D4导通，其开关函数为 。 L

21、u()LktLkt2输入回路的次级调谐于 ，输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。sI（三）原理分析（三）原理分析 1在本振信号正半周，D1和D2组成平衡混频器 12()()dLsIiiig kt uu 2在本振信号负半周，D3和D4组成平衡混频器 34()()dLsIiiig ktuu 3无带通滤波条件下，输出电流 0Im()()()()()()()()44coscoscos3cos3dLsIdLsIdsLLdILLdsmsLLdIiiig kt uug ktuug uktktg uktktg Utttg Ut（二）电路条件（二）电路条件 上一页下一页首页退出第四节 二极管混频电路

22、4有带通滤波器时，选出中频电流 Im2coscosIdsmIdIig Utg Ut5无带通滤波条件下，输入电流 Im44coscoscoscos33sdLsIdLsIdsmsdILLiiig ktuug ktuug Utg Uttt6有带通滤波器时，选出输入电流Im2coscossdsmsdsig Utg Ut环形混频器与平衡混频器相比，增加了两个二极管，其输出中频电流和输入电流都增大二倍。同时在输出电流中进一步抵消了 等分量。因而其应用较为广泛。 3sLILI、（四）结论（四）结论上一页下一页首页退出第五节 模拟乘法器混频器 图9-14 MC1596构成混频器 上一页下一页首页退出第五节 模

23、拟乘法器混频器 本振信号 加到8端，7端交流接地。 cosLLmLuUt外来输入信号 加到1端。 (1cos)cosssmasuUmtt6、9端分别接100MH电感到电源 ，对于工作频率 等效为 电阻。 ccV9MHzIf 5.6k混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz。 输入信号 约为1.5mV，本振电压 约为100mV。 smULmU上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 一、信号与本振的组合频率干扰（干扰哨声）一、信号与本振的组合频率干扰（干扰哨声） （一）信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率（一）信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率 1若非线性特性为 ，而 ，则会产

24、生直流 。 230123iaa ua ua usLuuu23322sLsLssLsLLsfffffffffff、 、 、 、 、2 的频率分量是混频时，必须要有的项，因低中频 ，高中频 。故非线性特性中必须有 的乘积项。而带通滤波器应根据需要滤除其中的一个中频，例如选低中频应滤除 ，选高中频应滤除 。 LsffILsfffsLuu和LsffLsff3非线性特性的三次方及其以上项会产生很多组合频率 fLsfpfqf 式中， ，p、q为正整数或零。 3pqILsfff上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 （二）信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件（二）信号频率与本振频率的组合频率干扰的

25、条件 1当满足 时，这个组合频率将会与正常的 一道通过中频带通滤波经中频放大器放大后送给检波器。 LsIfpfqff If2由于 二者差频不大为音频，则 送给检波器会产生差拍检波，产生音频实现干扰常称干扰哨声。 IffIff与3举例：超外差接收机的中频频率 ，当某电台发射载频 时，正常的变频过程是 。但是由于非线性特性有三次方项，则465kHzILsfff931kHzsf 1396931465(kHz)Lsff22 931 1396466(kHz)sLff 。二者都可以通过中频带通滤波进行中频放大，然后经检波器会产生1kHz的差拍检波在终端扬声器产生干扰哨声。 （三）产生这样干扰的原因（三）产

26、生这样干扰的原因非线性特性有三次方及以上项。 （四）减小这种干扰的方法（四）减小这种干扰的方法1选取理想二次方特性的场效应管或模拟乘法器作混频器；2采用二极管开关平衡混频方式；3对晶体三极管混频器的本振信号选为大信号，也能减小干扰。上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰）二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰） （一）在混频器的输入回路选择性不好的条件下，除正常输入信号 外，还有些其它频率的强干扰信号通过输入回路进入混频器，统称为外来干扰信号。外来干扰频率 通过非线性器件产生 组合频率。 sfnLff与Lnpfqf（二）在接收某一给定信号

27、频率 时，接收机会产生一个本振频率 ，若取低中频，则 ，由于输入回路选择性不好会有强干扰信号进入混频器，其频率 与本振 的组合频率 只有 和 有可能通过 的中频带通滤波器，若满足 或 会产生干扰，称为副波道干扰。 sfLf;ILsLsIffffffnfLfLnpfqfLnpfqfnLqfpfILsfffLnIpfqffnLIqfpff1当 时， 称为中频干扰。01pq，nIffnIff（三）中频干扰（三）中频干扰2产生原因输入回路选择性不好， 的强干扰信号进入混频器通过非线性特性的一次方项，相当于放大由中频选频回路输出，产生中频干扰。3减小中频干扰的方法提高输入回路的选择性，还可在混频器输入端

28、增加一个中频LC串联陷波电路减小中频干扰。上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 1当 时， 为正常接收。而 称为镜象频率干扰。11pq，LsIfffnLIfffnLIfff3减小镜象频率干扰的方法提高输入回路的选择性，选用高中频可减小镜象频率干扰。 （五）副波道干扰（五）副波道干扰 1当 且满足 ，称为副波道干扰。 3pqLnInLIpfqffqfpff或2产生原因输入回路选择性不好，在正常接收信号频率 时有一对应的 ，有一强干扰频率 进入混频器与本振 混频，由于三次方及以上项产生的或 ，则会通过中频带通滤波器输出，产生副波道干扰。 sfLsIfffnfIfLnIpfqffnLIqf

29、pff3减小副波道干扰的方法提高输入回路的选择性，减小非线性特性的三次方及以上项产生的组合频率，采用二极管平衡混频、模拟乘法器混频或具有理想平方律特性的场效应管混频器。 （四）镜象频率干扰（四）镜象频率干扰2产生原因输入回路选择性不好， 的强干扰信号进入混频器，由非线性的二次方项产生 的镜象频率干扰。 nLIfff上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 三、交叉调制干扰三、交叉调制干扰 （一）在输入回路的选择性不好的条件下，在接收正常调幅信号的同时也有另一干扰调幅信号进入混频器。在非线性特性有四次方及以上项时，就会产生交叉调制。其特征是，当接收的正常信号存在时有干扰，而接收的正常信号消

30、失时，干扰也消失。 （二）交叉调制产生的原理（二）交叉调制产生的原理23401234cbebebebeiaa ua ua ua u作用在输入端的电压有 信号电压 干扰电压 本振电压 11(1cos)coscosssmssmsuUmttUt22(1cos)coscosnnmnnmnuUmttUtcosLLmLuUt 代入非线性特性表示式中，其中 中的四阶产物中的 项中的 项就是交调产物。 besnLuuuu4beu2412snLa u u u243cos()nmsmLmLsa U U Ut22244221122242222113cos()3(1cos)(1cos)cos()3(12coscos)

31、(1cos)cosnmsmLmLsnmsmLmLsmnsmLmIa U U Uta Umt Umt Uta U U Umtmtmtt说明传送的除正常信息 外，还有干扰信息 及其谐波 。 2交叉调制干扰实质上是通过非线性作用将干扰信号的包络解调出来，而后调制到中频载频上去。没有正常信号干扰也就不存在。 12221设三极管混频器的非线性特性为 上一页下一页首页退出第六节 混频器的干扰与失真 （三）交叉调制干扰产生的原因（三）交叉调制干扰产生的原因输入回路选择性不好，有调幅的强干扰信号输入，在非线性特性的四次方及以上项。（四）减小交叉调制干扰的方法（四）减小交叉调制干扰的方法提高输入回路的选择性，减小非线性特性的四次方及以上项产生的组合频率，采用二极管平衡混频、模拟乘法器混频或场效应管混频。 四、互调干扰四、互调干扰 （一）在输入回路的选择性不好的条件下，在接收正常输入信号的同时，有两个或多个强干扰信号进入混频器。在非线性特性有三次