东华大学高频电子电路通信电子电路7-6

1、§ 7.5 混频电路本节我们将讨论下述几个问题1.进行变频的原因，混频器的作用。2.变频器的基本原理及数学分析。3.晶体三极管变频电路的基本原理。4.变频器的主要性能指标。5.变频干扰。§ 7.5 .1 概述定义：混频是将已调波中 载波频率 变换为中频频率 ，而保持调制规律不变 的频率变换过程。地位：超外差接收机的重要组成部分（下变频）；发射机的重要组成部分（上变频） 。接收机中 混频器的作用：将天线上感应的输入高频信号变换为固定的中频信号；发射机中 混频器的作用：将中频信号变换为射频信号。重要性：靠近天线，直接影响接收机的性能。种类：一般接收机中：三极管混频器。 高质量通

2、信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。1. 混频器与变频器的差别混频器和变频器的功能是一致的， 都是频率变换电路， 是频谱线性搬移 过程。其差别在于：混频电路中 ，本振信号由外部提供；变频电路中 ，本振信号由电路自身产生。变频器 混频器 +本机振荡器四端口网络六端口网络因为二者功能相同，因此很多参考书不加区别。但严格意义上是有差别的。为什么要进行变频？(1) 要实现宽带，有一定增益的高频放大器非常困难，且要在频率很宽的范围内实现良好的选频特性也很困难。例如，调幅收音机频率范围 5351605K，调频收音机的频率范围 88108MHz要在整个频带内 兼顾增益和选择性 很困难。相比

3、之下，固定频率的中频放大器的增益和选择性都可以做得很好。(2) 在超外差接收机中，采用变频器，将接收到的射频信号变为 固定的中频 ，在中频上放大信号，放大器的增益可以做得很高，选频特性可做得很好， 且电路结构简单。经中频放大后， 输入到检波器的信号可达到伏特数量级。混频达到的目的：将宽带的射频信号固定的中频信号有利于兼顾选频和增益 提高接收机的灵敏度，也就是提高接收微弱信号的能力。知识点（了解）：调幅收音机频率范围5351605K，中频 465KHz；调频收音机的频率范围 88108MHz ，中频为 10.7MHz。电视接收机也可采用超外差式方案， 电视接收机 视频信号中频 为 38MHz 。

4、音频信号的中频为 6.5MHz。微波接收机和卫星接收机的中频信号为 70MHz 或 140MHz。2.混频器的组成及变频作用fI , fS及f L的关系i )混频器取出二个输入信号的差频，即（高本振）或fI（低本振）f I fL fSfS fL这时 fIfS，称为下变频 (downconverter), 用于接收机；ii )混频器取出二个输入信号的和频，即 fI fL fS，;这时 fIfS，称为上变频 (upconverter), 用于发射机。变频（混频）的作用：改变输入信号的载波频率， 保持调制规律不变。下面给出调制信号为单频信号时混频器功能示意图uS (t)uL (t)uI (t )调制

5、信号为音频信号时混频器功能示意图结论：混频实现 频谱的线性搬移 ，即频谱结构不变，从载频附近搬移到中频附近。信号各频谱分量的 相对位置（频率间隔）相对幅度（幅度的比例关系） 不变。3. 变频基本原理的数学分析幂函数如果在非线性器件上同时加上二个高频信号 uL (t)和uS (t) ，只要使变频器工作于变频管 输入特性曲线的弯曲部分，就会在其输出电流中产生新的频率成分。非线性器件的电流可用幂级数来表示i aa ( u)a ( u)2(641)012其中，uuS (t)uL (t)VSm cosS tVLm cosL t取(6 4 1)的前三项i aa uS(t)uL(t)a uS(t) uL(t

6、 )2012aa (VcosSt VcosLt)a2 (V2V2 )01SmLm2SmLma2(V2 cos2StV2 cos2Lt)2SmLma2VSmVLm cos(SL )tcos(SL )t 根据以上分析，由于非线性器件中伏安特性的平方项，在 uS (t), uL (t ) 的共同作用下，产生了 新的频率成分 ：差频分量 ( 谐波成分 2 若选择差频若选择和频SL) ；和频成分(SL)；S，2L(SL) ，则称为 下变频(SL)，则称为 上变频注意：混频器后面一定要跟滤波器 。4.变频器的主要性能指标衡量混频器性能优劣的主要指标有：变频增益，噪声系数，动态范围，失真干扰等。1）变频增益

7、（或变频损耗）表征混频器将输入 高频信号 转换为 输出中频信号 的能力。定义：混频器输出 中频电压幅值 VIm 与输入信号电压幅值 VSm 的比值AVVImVSm （6-4-2）变频增益常以分贝表示。Gp10lg PI (dB)用功率表示PSA20lg VIm以电压表示cVSm （dB）PI , PS 分别是输出的中频功率 和输入高频信号的功率 。在相同输入信号情况下，分贝数越大，表明变频增益越高，变频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越强。 接收机的灵敏度越高。变频损耗 是对不具备混频增益的混频器而言的，它定义为在最大功率传输条件下，输入信号功率 Ps 对输出中频功率 PI 的比值，PS用

8、 dB（分贝）表示，即 LC 10lg PI (dB) 显然，在相同输入信号情况下， 分贝数越大，即混频损耗越大， 混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越差 。2）噪声系数混频器处于接收机的前端， 它的噪声电平高低对整机影响很大， 降低混频器的噪声十分重要。混频器的噪声系数NF 是指在混频器输入端信号频率 f S 上的输入信噪比与在混频器输出端中频频率 f I 上的输出信噪比NF输入信噪比（在信号频率fS上） (S / N )i输出信噪比（在中频频率f I 上） (S / N )oNF10lg (S / N )i (dB)(S / N )o如果混频器不存在内部噪声， 则其输出信噪比与输入信

9、噪比一样，即 NF1，这是理想状态 。实际上混频器内部总是存在噪声的， 使输出信噪比小于输入信噪比，所以 NF 总是大于 1。NF 越大，说明混频器 内部噪声越大 ，使输入信噪比降低程度越大。 因此要求NF 尽可能小。混频器的内部噪声主要由非线性器件产生，选择低噪声混频管；选择合适的混频器工作点和本振电压 ，可以减小混频器的内部噪声，从而获得较小的混频噪声系数。3)1dB 压缩电平（ 1dB Compression Level）增益压缩 的概念（混频器和放大器中重要的概念）理想混频器 的混频增益为常数，即VImAV常数VSm输出的中频信号振幅VIm输入已调波信号的振幅VSm实际情况当输入信号功

10、率较小时， 混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率 线性增大。由于器件的非线性，当输入信号功率增大到一定程度，输出中频功率的增大 将趋于缓慢 ，出现增益压缩 的现象。随着输入信号VSm 的加大，变频增益将会减小，这一现象称为 增益压缩。定义：混频器实际功率增益低于理想线性功率增益 1dB 时所对应的 中频功率电平称为 1dB 压缩电平，用 PI1dB 表示，如下图所示。意义： PI1dB 所对应的 PS 是混频器动态范围的上限电平。注意以下几个问题的理解：i)当输入信号功率较低时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率 线性增大。ii) 当输入信号增大到一定程度， 由于器件的非线性作用

11、，中频输出信号的幅度不再与输入信号成线性关系， 输出中频信号功率的增幅随输入信号的增加而趋于缓慢，直到比线性增长低1dB 时所对应的输出中频功率称为1dB 压缩电平，用PI 1dB 表示。iii) 混频器的动态范围指混频器正常工作时的射频信号输入功率范围。动态范围的 下限电平 是由噪声系数决定的最小输入信号功率。动态范围的 上限电平 是 PI 1dB 所对应的输入信号功率确定。输出、输入功率均用 dBm 作为单位。 dBm 是功率的单位，以 mW 的基准1mW10lg 10dBm12mW10lg 23dBm110mW10lg1010dBm100mW=10lg10020dBmdB是增益的单位，无

12、量纲, 如： AV10lg PI (dB)PSP0 (dBm)Pi (dBm)G(dB)选择性混频器的有用成分为中频， 输出应该 只有中频信号 ，实际上由于各种因素会混杂很多干扰信号。因此为了抑制中频以外的不需要的干扰，就要求混频器的 高频输入 、中频输出回路 有良好的选择性。选择性主要取决于混频器输出端的中频带通滤波器 的性能。5) 混频失真混频器的失真主要有 : 非线性失真、 频率失真来源： 接收机输入端存在的干扰信号；混频器件非线性 ，使输出电流包含众多无用组合频率分量，若某些靠近中频，则中频滤波器无法将它们滤除， 叠加在有用中频信号上，引起失真。如何减小失真与干扰是混频器研究中的一个重

13、要问题，我们将在后面专门介绍。隔离度理论上要求混频器的各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会窜通到其它端口。但在实际电路中， 总有极少量功率在各端口之间窜通。定义：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比 (用分贝表示 )。意义：用来评价窜通大小的性能指标。危害：在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通危害最大。原因：为保证混频性能， 加在本振端口的本振功率都比较大， 当它窜通到输入信号端口时，就会通过输入信号回路回到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。本振泄漏示意图如下：§ 7.5 .2.混频器电路及分析三极管混频器二极管混频器不适合于高度集成无线产品的设计原因：二

14、极管混频器有损耗， 对终端敏感，并且要求相当大的本振功率。 实现平衡和端口间隔离需要依赖于变压器。晶体三极管混频器最为 重要的应用 在于高度集成和减小电流的场合。晶体三极管混频的主要优点：变频增益大于 1（要求本振电压的幅值较小 50200mV 之间）。通常 BJT 混频器可有大约 20dB 的变频增益，而 FET 混频器有大约 10dB 的变频增益。 BJT 转移特性是指数函数， 所以互调失真较高。FET 转移特性为平方律， 输出电流中的组合频率分量比 BJT 混频器少得多，故互调失真小。所以， FET容许的输入信号动态范围大。在短波和超短波接收机中应用广泛1 晶体三极管混频器的工作原理电路

15、的构成：L1C1调谐于输入的载波频率f S (t)( fC (t) L2C2 调谐于中频 f I 上。发射结上作用有三个电压：直流偏置 VBB0 ，射频信号电压uS 和本振电压 uL ，即uBEVBB0uL (t )+us (t)VBB (t)+us (t)为了减小非线性器件产生不需要的分量，一般情况下，使uL m，即本u Sm振信号 是大信号 ，而输入信号 为小信号。在一个大信号 uL 和一个小信号 uS 同时作用于非线性器件时， 晶体管可近似看成小信号的 工作点随大信号变化 而变化的线性元件。晶体管的工作点由 本振信号电压 和偏置电压共同确定。uBEQVBB0uL (t)VBB (t)VB

16、B (t) 随时间变化，称为 时变静态工作点电压。在 t1在 t 2在 t 3时刻，工作点为时刻，工作点为时刻，工作点为Q1 点；Q3 点；Q2 点参看课本 P157线性时变电路分析法。因为 uS 信号很小，因此对于uS 而言，晶体管可以近似看成工作于线性状态，混频器中的三极管工作在线性时变状态。（关于线性时变工作状态的解释，看附件。）对于混频器中的三极管iCf (uBE )I 0 (t)g(t )uS (t )(642)I 0 (t ) 为 uS0 时的电流，称为 时变静态电流；g(t) 是电流对电压的变化率 (跨导，请看附件）I 0 (t) 和跨导 g(t ) 都是时变的（图 6.4.18

17、 所示）下面求解时变跨导 g(t )（如图 6.4.18 所示）（a）三极管转移特性曲线iC uBE ，该曲线上各点的斜率即为跨导g ( t )iCuBEu B EV B B 0u L ( t )（b）根据各点切线的斜率画出 g uBE ，（c）uBE 是 t 的函数，因此可画出 g(t ) t 曲线图 6.4.18 混频器的时变跨导小结：线性时变工作状态的来由 :线性： 由于 uS 是小信号，因此晶体管可视为工作于线性状态。时变 ：由于工作点由 uL (t),VBB 共同确定，所以线性参量是随时间变化的。 这种电路称为 线性时变电路 。g(t) 是周期性的非正弦函数。 时变偏置电压 VBB

18、(t ) 在 VBB0 的基础上按本振电压uL 的规律作周期性变化时，跨导g 也随uL 作周期变化，形成时变跨导g(t) 。结论： g(t) 是一个随uL 作周期变化的非正弦波，如图 6.4.18 所示。将 g(t) 展开为傅立叶级数g(t) g0g1 cos Ltg2 cosL t其中， g01(t)d ( Lt),g2g11L t),g (t)cos( Lt)d(gn1g (t)cos( n L t )d( L t),由 (6-4-2)iC f (uBE ) I 0 (t ) g(t)uS (t)可知： g(t ) 中的基波分量 g1 cos( L t) 与输入信号电压 uS 相乘g1 c

19、os(L t ) VSm cosC t1g Vcos()tcos(21SmLCL（电导） （电压）电流令ILC 得中频电流分量，(LC )项被滤波器滤除iIcost1 g VcostIImI21 SmI其中， g mc 称为混频跨导C )t g mcVSm cosI t 混频（变频）跨导定义：输出中频电流 的幅值 I Im 与输入信号电压幅值 VSm 之比。功能：描述输入信号电压对输出中频电流的控制能力，用于衡量混频器的变频能力。混频（变频）跨导和时变跨导 g(t) 的关系：gmc12g1(时变跨导中基波分量幅度g1的一半)L2C2 回路的中频输出电压uIRei IRe gmcVSm cos

20、I tVIm相应的混频增益为 AC= Vsm = gmc Re 其中， Re 为输出中频回路谐振电阻；gmcVSm 为中频电流幅值。混频跨导 gmc（即 gc ）越大 ,变频增益 AV 越高。 gmc 与 ULm 和 V BB0 关系在满足线性时变条件下， 三极管混频电路的混频增益与混频跨导 gmc 成正比VIm（ AC= Vsm = gmc Re）。而 gmc 大小与晶体管参数、本振电压幅度 ULm 和静态偏置电压 V BB0 有关。图6.4.20 分别画出了 gmc 与 ULm 和 Eb(V BB0 )关系曲线。 图 6.4.19(a)说明“如何画出 g(t)的解析波形”三极管的转移特性曲

21、性 uBE-iC，曲线上各点的斜率的连线即为跨导特性g(uBE) 。在 uBE = V BB (t) 的作用下，便可画 出 g(t)波形。图6.4.19(a)g(t) 的图解分析图 6.4.19(b)说明“g(t)、gmc 与本振 ULm的关系”图6.4.19(b)g(t)、 gmc 与 ULm的关系图 6.4.20 g(t)、gmc 与 Eb(V BB0)的关系结论： gmc 与本振信号幅值 ULm 和静态偏置电压 Eb （V BB0）的关系是非线性关系。ULm 和 Eb 过大或过小， gmc 都较小，只有在一定范围内 gmc 较大。当 V BB0 （或 Eb）一定，ULm 由小增大时， g

22、mc 也相应地增大， 直到 g (t) 趋近方波时，相应的 gmc 便达到最大值。实际三极管混频电路采用分压式偏置电路，当 ULm 增大到一定值后，由于特性的非线性， 产生自给偏置效应， 基极偏置电压将自静态值VBB0 向截止方向移动，因而相应的gmc 也就比上述恒定偏置时小。 结果使 gmc 随 ULm 的变化如图 6.4.21 实线所示。图 6.4.21 gmc 随 ULm 变化的特性可见，相应于某一 ULm 值， gmc 和相应的混频增益达到最大值 。 该 ULm 值就是最佳本振电平。实践证明，在中波广播收音机中， 为了使变频跨导最大，这个最佳的 ULm 约为 20 200 mV。反之，

23、当 ULm 一定时，改变 V BB0(或 IEQ) 时，gmc 也会相应变化。实验指出， IEQ 在 0.2 1 mA时， gmc 近似不变，并接近最大值。2 .具体电路和工作状态的选择 （这部分内容只做了解）混频器有二个输入，输入信号和本振电压。共射极混频电路 ：本振信号由基极串联方式注入本振信号由射极注入下图所示是常用三极管混频器的几种基本形式。电路的共同特点是利用三极管转移特性的非线性实现频率变换的。图 6.4.21 常用的三极管混频电路（a）(b)（c）(d)若输入信号uS和本振信号uLO从同极注入，则可能导致本振频率受输入信号频率的牵引，出现本振频率fLO 等于信号频率 fs 的现象，甚至得不到所需的差频或和频电压；若 us 和 uLO 从两极注入，则相互影响小，不易产生牵引现象 。但本振电压 uLO 从基极注入，电路需要的本振功率小； 本振电压 uLO 从射极注入，电路需要的本振功