高频第9章 变频电路

1、第九章变频电路 第一节第一节 概述概述 一、变频电路的功能一、变频电路的功能 变频电路是一种频率变换电路。它的功能是将已调波的变频电路是一种频率变换电路。它的功能是将已调波的载波频率变换成固定的中频载波频率，而保持其调制规律不载波频率变换成固定的中频载波频率，而保持其调制规律不变。变。也就是说它是一个线性频谱搬移电路，对于调幅波、调也就是说它是一个线性频谱搬移电路，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，只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。能完成波，只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。能完成这样功能的

2、电路称为变频电路。这样功能的电路称为变频电路。概述概述 变频电路的功能变频电路的功能 二、变频器的组成二、变频器的组成 变频器与其它频率变换电路一样，为了完成频率变换，变频器与其它频率变换电路一样，为了完成频率变换，必须有非线性器件。常用的非线性器件有晶体三极管、二极必须有非线性器件。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。当两个不同频率管、场效应管、差分对管和模拟乘法器等。当两个不同频率的信号通过一个非线性器件之后，输出信号频率将会包含很的信号通过一个非线性器件之后，输出信号频率将会包含很多频谱分量，一般可以表示为多频谱分量，一般可以表示为f=pfs+qfL(

3、p,q=0，1，2，3，和和-1，-2，-3，)，在如此多的频率分量中要得到所，在如此多的频率分量中要得到所需的频率分量，就必须采用选频网络，选出所需的频率分量需的频率分量，就必须采用选频网络，选出所需的频率分量fI。因此一般变频器应由四部分组成，即输入回路、非线性。因此一般变频器应由四部分组成，即输入回路、非线性器件、带通滤波器和本机振荡器组成器件、带通滤波器和本机振荡器组成 。概述概述变频器的组成变频器的组成概述概述 三、变频器的技术指标三、变频器的技术指标 l变频增益变频增益 l选择性选择性 l噪声系数噪声系数 l失真和干扰失真和干扰概述概述第二节晶体三极管混频器第二节晶体三极管混频器在

4、以分立元件构成的广播、电视、通信设备的接收在以分立元件构成的广播、电视、通信设备的接收机中，都是采用晶体管混频电路。在一些集成电路接收机中，都是采用晶体管混频电路。在一些集成电路接收系统的芯片中，也有采用晶体三极管作混频器，例如系统的芯片中，也有采用晶体三极管作混频器，例如TA7641BP单片收音机中的混频器。晶体三极管混频器单片收音机中的混频器。晶体三极管混频器的特点是电路简单，有一定的变频增益，要求本振电压的特点是电路简单，有一定的变频增益，要求本振电压的幅值较小，约在的幅值较小，约在50200mV之间。之间。一、工作原理一、工作原理晶体三极管混频器晶体三极管混频器混频器原理性电路混频器原

5、理性电路 晶体三极管混频器晶体三极管混频器晶体三极管混频器的原理性电路如图所示，在发射结上晶体三极管混频器的原理性电路如图所示，在发射结上作用有三个电压，即直流偏置电压作用有三个电压，即直流偏置电压Vbb、信号电压、信号电压us和本振和本振电压电压uL。一般情况下。本振电压振幅。一般情况下。本振电压振幅ULmUsm，也，也就是本振电压为大信号，而输入信号电压为小信号。在一个就是本振电压为大信号，而输入信号电压为小信号。在一个大信号大信号uL和一个小信号和一个小信号us同时作用于非线性器件时，晶体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管可近似看成小信号的

6、工作点随大信号变化而变化的线性元件，如图件，如图9-4所示。所示。t1时刻，在偏压时刻，在偏压Vbb和本振电压和本振电压uL的共的共同作用下，它的工作点在同作用下，它的工作点在A点，此时点，此时us较小，因此，对较小，因此，对us而而言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。晶体三极管混频器晶体三极管混频器在另一时刻在另一时刻t2，对于，对于us而言，由于偏压和本振电压的作用，而言，由于偏压和本振电压的作用，工作点移到工作点移到B点，这时对点，这时对us仍可看成工作于线性状态。虽然两个时仍可看成工作于线性状态。虽然两个时刻均工作于线性状态，但工作点不同，这

7、两个时刻的线性参数就刻均工作于线性状态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数就不一样。因为不一样。因为us的工作点随的工作点随uL的变化而变化，所以线性参量也就的变化而变化，所以线性参量也就随着随着uL变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化的参量称为时变参量。这样的电路称为线性时变电路。应当变化的参量称为时变参量。这样的电路称为线性时变电路。应当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信号号us来说，它工作于线性状态，因此，当有多个小信号同时作用来说，它工作于线

8、性状态，因此，当有多个小信号同时作用于此种电路的输入端时，可以应用迭加原理。于此种电路的输入端时，可以应用迭加原理。晶体三极管混频器晶体三极管混频器下面用时变参量方法分析晶体三极管混频器下面用时变参量方法分析晶体三极管混频器 ube=Vbb+us(t)+uL(t) icf(ube) 可以将函数可以将函数ic=f(ube)在时变偏压在时变偏压Vbb+uL(t)上对上对us(t)展成泰展成泰勒级数，则勒级数，则 ic=fVbb+uL(t)+fVbb+uL(t)us(t) 因为本振电压为大信号，且工作于非线性状态，因而集电极电因为本振电压为大信号，且工作于非线性状态，因而集电极电流流fVbb+uL(

9、t)和跨导和跨导g均随均随uL(t)的变化呈非线性变化。在的变化呈非线性变化。在本本振电压振电压uL(t)=ULmcosLt的条件下，它们可用下列级数表示。的条件下，它们可用下列级数表示。 fVbb+uL(t)=Ic0+Ic1mcosLt+Ic2mcos2Lt+ fVbb+uL(t)=g(t)=g0+g1cosLt+g2cos2Lt+ 式中，式中，Ic0、Ic1m、Ic2m、g0、g1、g2分别为只加振荡电压时，分别为只加振荡电压时，集电极电流中的直流、基波和二次谐波分量的幅值以及跨导的平集电极电流中的直流、基波和二次谐波分量的幅值以及跨导的平均分量、基波和二次谐波分量的幅值。均分量、基波和二

10、次谐波分量的幅值。 晶体三极管混频器晶体三极管混频器 将输入信号电压将输入信号电压 us(t)=Usmcosst 代入，可得代入，可得 Ic=fVbb+uL(t)+fVbb+uL(t)us(t) =(Ic0+Ic1mcosLt+Ic2mcos2Lt+)+ (g0+g1cosLt+g2cos2Lt+)Usmcosst =Ic0+Ic1mcosLt+Ic2mcos2Lt+Usmg0cosst+cos (L s)t+cos(L+s)t +cos(2L-s)t+cos(2L-s)t+ 若中频频率取差频若中频频率取差频I=L-s，则混频后通过带通滤器输出的中频电流为，则混频后通过带通滤器输出的中频电流为

11、iI=Usm21gcos(Ls)t 其振幅为其振幅为IIm=Usm21g晶体三极管混频器晶体三极管混频器 上式表明，输出的中频电流振幅上式表明，输出的中频电流振幅IIm与输入高频信号与输入高频信号电压的振幅电压的振幅Usm成正比。若高频信号电压振幅成正比。若高频信号电压振幅Usm按按一定规律变化。则中频电流振幅一定规律变化。则中频电流振幅IIm也按相同规律变化。也按相同规律变化。也就是说，经混频后，只改变了信号的载波频率，包络也就是说，经混频后，只改变了信号的载波频率，包络形状没有改变。因此，当输入高频信号是调幅波时，其形状没有改变。因此，当输入高频信号是调幅波时，其振幅为振幅为Usm(1+m

12、acost)，则混频器所输出的中频电，则混频器所输出的中频电流也是调幅波流也是调幅波 晶体三极管混频器晶体三极管混频器 为了说明混频器把输入信号电压转换为中频电流的能力，为了说明混频器把输入信号电压转换为中频电流的能力，通常引入变频跨导通常引入变频跨导gc。变频跨导定义为输出中频电流振幅。变频跨导定义为输出中频电流振幅IIm与输入高频信号电压振幅与输入高频信号电压振幅Usm之比，可得之比，可得 gc=IImUsm=g1 21 这说明混频器变频跨导这说明混频器变频跨导gc等于时变跨导等于时变跨导g(t)的傅里叶展开的傅里叶展开式中基波振幅式中基波振幅g1的一半。的一半。 晶体三极管混频器晶体三极

13、管混频器 因为时变跨导因为时变跨导g(t)是随是随Ie(t)周期变化的，而周期变化的，而Ie(t)又又是随本振电压变化，其关系是非线性的。所以，时变是随本振电压变化，其关系是非线性的。所以，时变跨导跨导g(t)是一个较为复杂的函数，通过对是一个较为复杂的函数，通过对g(t)的积分求的积分求出出g1是比较复杂的。在实际工作中经常采用经验公式是比较复杂的。在实际工作中经常采用经验公式 gc=(0.40.5)226126QIrQIebbTse晶体三极管混频器晶体三极管混频器二、等效电路二、等效电路对于晶体三极管混频器，由于本振电压为大信号，对输对于晶体三极管混频器，由于本振电压为大信号，对输入信号为

14、小信号来说，非线性器件被看成时变网络，这样就入信号为小信号来说，非线性器件被看成时变网络，这样就可采用小信号分析法。因而，混频器可用图示电路等效。由可采用小信号分析法。因而，混频器可用图示电路等效。由于混频器的输入回路调谐于于混频器的输入回路调谐于s，输出回路调谐于，输出回路调谐于I，混频，混频器等效电路中的输入电容和输出电容分别合并到输入回路和器等效电路中的输入电容和输出电容分别合并到输入回路和输出回路中去得出了等效电路。等效电路中的各参量均可根输出回路中去得出了等效电路。等效电路中的各参量均可根据定义和混合据定义和混合等效电路求出。等效电路求出。晶体三极管混频器晶体三极管混频器三、具体电路

15、和工作状态的选择三、具体电路和工作状态的选择混频器有输入信号电压和本振电压两个输入信号，对输入混频器有输入信号电压和本振电压两个输入信号，对输入信号信号us来说，晶体管可构成共射和共基两种组态。而对本振来说，晶体管可构成共射和共基两种组态。而对本振电压电压uL来说，有由基极注入和发射极注入两种组态。来说，有由基极注入和发射极注入两种组态。 晶体三极管混频器晶体三极管混频器混频器的四种组态混频器的四种组态 晶体三极管混频器晶体三极管混频器收音机变频电路收音机变频电路 晶体三极管混频器晶体三极管混频器 第三节场效应管混频器第三节场效应管混频器 一、结型场效应管混频器一、结型场效应管混频器 结型场效

16、应管混频电路结型场效应管混频电路场效应管混频器场效应管混频器 输入信号电压输入信号电压us从栅极输入，本振电压从栅极输入，本振电压uL由源极注入。由源极注入。加在场效应管栅源间的电压为加在场效应管栅源间的电压为uGS=UGSQ+us-uL，其中，其中UGSQ为为场效应管静态工作点的场效应管静态工作点的UGS值。值。设输入信号设输入信号us=Usmcosst本振信号本振信号uL=ULmcosLt可得可得 tUgtUUUItUUUIiIsmcIsmLmPDSSsLLmsmPDSSIcoscos )cos(22场效应管混频器场效应管混频器式中，式中，gcgc为变频跨导，其值为为变频跨导，其值为I I

17、DSSDSSU ULmLm/ / 若中频选频带通滤波器调谐于若中频选频带通滤波器调谐于I I，且谐振电阻为，且谐振电阻为R RL L，则混频器输出电压为则混频器输出电压为 u uI I= =g gc cR RL LU UsmsmcoscosI It t2PU 第四节第四节二极管混频电路二极管混频电路 晶体二极管平衡和环形混频器与晶体三极管混频晶体二极管平衡和环形混频器与晶体三极管混频器相比，具有电路结构简单、噪声低、动态范围大、组器相比，具有电路结构简单、噪声低、动态范围大、组合频率分量少等优点。在通信设备中得到广泛的应用。合频率分量少等优点。在通信设备中得到广泛的应用。如果采用肖特基表面势垒

18、二极管，它的工作频率可高达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。微波频段。二极管混频电路二极管混频电路 一、二极管开关平衡混频器一、二极管开关平衡混频器 二极管开关平衡混频器二极管开关平衡混频器电路电路当本振电压当本振电压uL足够大时，晶体二极管工作在受足够大时，晶体二极管工作在受uL控制的控制的开关状态，通过上、下两个晶体二极管的电流分别为开关状态，通过上、下两个晶体二极管的电流分别为2)(1IsLLduuutKgi2)(2IsLLduuutKgi因而，在无滤波的条件下，通过输出回路的电流为因而，在无滤波的条件下，通过输出回路的电流为 i=i1-i2=gdK(Lt)(us

19、-uI) 二极管混频电路二极管混频电路 则则 i i= =i i1 1- -i i2 2= =gdKgdK( (LtLt)()(usus- -uIuI) ) = =gdgd+cos+cosLtLt-cos3-cos3LtLt+UsmUsmcoscosstst- -UImUImcoscosItIt 设输出回路调谐于中频频率设输出回路调谐于中频频率I=L-s，则，则选出中频电流选出中频电流iI为为 iI= gdUsmcosIt- gdUImcosIt 21 输出中频电流是由高频输入信号电压与本振电压的正向混频产输出中频电流是由高频输入信号电压与本振电压的正向混频产 生的中频电流和中频输出电压反作用

20、产生的中频电流之差。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。 121二极管混频电路二极管混频电路 对于输入回路来说，由于输入回路调谐于对于输入回路来说，由于输入回路调谐于s，则输入，则输入回路通过选频作用产生的输入电流回路通过选频作用产生的输入电流is为为 is= gdUsmcosst- gdUImcos(L-I)t121 输入电流是由高频输入信号电压在输入回路产生的输入输入电流是由高频输入信号电压在输入回路产生的输入电流和输出中频电压与本振电压经反向混频产生的输入电流电流和输出中频电压与本振电压经反向混频产生的输入电流之差之差 。二极管混频电路二极管混频电路 二极管混频器是一个能

21、实现双向混频的电路。输二极管混频器是一个能实现双向混频的电路。输入信号频率入信号频率s与本振信号频率与本振信号频率L经过正向混频在输出经过正向混频在输出端得到中频频率端得到中频频率I，而输出中频电压频率，而输出中频电压频率I与本振信与本振信号频率号频率L经过反向混频，在输入端能产生输入信号频经过反向混频，在输入端能产生输入信号频率率s。 二极管混频电路二极管混频电路 二极管混频电路二极管混频电路 二、二极管环形混频器二、二极管环形混频器 环形混频器环形混频器 本振电压从输入和输出变压器的中心抽头之间加入。四本振电压从输入和输出变压器的中心抽头之间加入。四个二极管均按开关状态工作。各电流、电压的

22、极性如图中所个二极管均按开关状态工作。各电流、电压的极性如图中所示。示。 在本振电压的正半周，二极管在本振电压的正半周，二极管D1、D2导通，导通，D3、D4截截止。此时混频器为平衡混频器。止。此时混频器为平衡混频器。 i=i1-i2=gdK(Lt)(us-uI) 在本振电压的负半周，二极管在本振电压的负半周，二极管D3、D4导通，导通，D1、D2截止。截止。此时，混频器为另一平衡混频器。则此时，混频器为另一平衡混频器。则 i=i3-i4=gdK(Lt-)(us+uI) 二极管混频电路二极管混频电路 在无滤波条件下，通过输出中频回路的电流为在无滤波条件下，通过输出中频回路的电流为i0 =i-i

23、 =gdK(Lt)us-gdK(Lt)uI-gdK(Lt-)us-gdK(Lt-)uI因为因为 K(Lt)-K(Lt-)=cosLt-cos3Lt+ K(Lt)+K(Lt-)=1二极管混频电路二极管混频电路 所以所以i0= gdUsm cos(L+s)t+ cos(L-s)t - gdUsm cos(3L+s)t+ cos(3L-s)t + gdUsm cos(5L+s)t+ cos(5L-s)t- -gdUImcosIt 42121342121542121与平衡混频电路比较，环形混频电路的输出电流中，进一步抵消与平衡混频电路比较，环形混频电路的输出电流中，进一步抵消了了s及及LI、3LI等分

24、量。等分量。 经过输出回路的滤波作用，选出中频电流经过输出回路的滤波作用，选出中频电流 iI= gdUsmcosIt- gdUImcosIt 2二极管混频电路二极管混频电路 第五节模拟乘法器混频器模拟乘法器在混频电路中的应用是较为广泛的。特别是模拟乘法器在混频电路中的应用是较为广泛的。特别是在大规模通信集成电路中，通常都是集成模拟乘法器作为混在大规模通信集成电路中，通常都是集成模拟乘法器作为混频器。模拟乘法器作为混频器的分析方法与第五章模拟乘法频器。模拟乘法器作为混频器的分析方法与第五章模拟乘法器调幅电路的分析相似。图示是模拟乘法器器调幅电路的分析相似。图示是模拟乘法器MC1596MC1596

25、构成的混构成的混频器。本机振荡信号频器。本机振荡信号uLuL= =ULmULmcoscosLtLt加在加在8 8端，端，7 7端交流电位端交流电位为零。外来的输入信号为零。外来的输入信号usus= =UsmUsm(1+(1+mamacoscostt)cos)cosstst加在加在1 1端。端。6 6、9 9两端分别接两端分别接100H100H电感到电源电感到电源VccVcc，对工作于中频，对工作于中频fIfI=9MHz=9MHz等效为等效为5.6k5.6k的电阻。混频器后选用的中频滤波器的电阻。混频器后选用的中频滤波器的中心频率为的中心频率为9MHz9MHz。输入信号振幅最大值约为。输入信号振

26、幅最大值约为15mV15mV，本振电，本振电压压ULmULm约为约为100mV100mV。 第五节模拟乘法器混频器MC1596构成混频器构成混频器 第六节混频器的干扰与失真第六节混频器的干扰与失真 混频器的各种非线性干扰是很严重的问题，在讨论各种混频混频器的各种非线性干扰是很严重的问题，在讨论各种混频器时，常把非线性产物的多少作为衡量混频器质量标准之一器时，常把非线性产物的多少作为衡量混频器质量标准之一 .l信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声) l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(副波道干扰副波道干扰) l交叉调制干扰交叉调制干扰(交调失

27、真交调失真) l互调干扰互调干扰(互调失真互调失真) l包络失真与强信号阻塞包络失真与强信号阻塞 信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率干扰 当信号与本振信号同时输给混频器时，由于混频器的非当信号与本振信号同时输给混频器时，由于混频器的非线性特性，在其输出电流中，除了有需要的中频线性特性，在其输出电流中，除了有需要的中频(fL-fs)外，外，还有一些谐波频率和组合频率。例如，还有一些谐波频率和组合频率。例如，2fL，2fs，3fL，3fs，2fs-fL，3fs-fL，2fL-fs，3fL-fs如果在这些组合频率中有如果在这些组合频率中有接近中频接近中频fI=fL-fs的组合频率，它就会通

28、过中频放大器与正常的组合频率，它就会通过中频放大器与正常的中频的中频fI一道进行放大，并加到检波器上。通过检波器的非一道进行放大，并加到检波器上。通过检波器的非线性作用，这个近于中频的组合频率与中频线性作用，这个近于中频的组合频率与中频fI产生差拍检波，产生差拍检波，输出差频信号，这个差频信号是音频，通过终端扬声器以哨输出差频信号，这个差频信号是音频，通过终端扬声器以哨叫声的形式出现并形成干扰。叫声的形式出现并形成干扰。 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 这类干扰是指在混频器输入回路选择性不好的条件下，这类干扰是指在混频器输入回路选择性不好的条件下，外来强干扰信号进入了混频器。相当于进入混频器的除了正外来强干扰信号进入了混频器。相当于进入混频器的除了正常输入信号常输入信号us和本振信号和本振信号uL外，还有一个干扰信号外，还有一个干扰信号un。因。因为混频器具有非线性作用，为混频器具有非线性作用，un与与uL的组合频率就可能产生的组合频率就可能产生干扰。干扰。 设干扰信号频率为设干扰信号频率为fn，若，若fL-fs=fI，则满足，则满足 pfL-qfn=fI或或qfn-pfL=fI 就能产生副波道干扰。就能产生副波道干扰。交叉调制干扰交叉调制干扰 如果接收机前端电路的选择性不够好，使有用信号与干扰如