非线性电子线路4-3 谢嘉奎 东南大学

1、第第 4 章章振幅调制、解调振幅调制、解调与混频电路与混频电路4.3混频电路混频电路4.3.1通信接收机中的混频电路通信接收机中的混频电路4.3.2三极管混频电路三极管混频电路4.3.3混频失真混频失真4.3混频电路混频电路混混 频频地位：地位：超外差接收机的重要组成部分。超外差接收机的重要组成部分。作用：作用：将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频信号。信号。重要性：重要性：靠近天线，直接影响接收音机的性能。靠近天线，直接影响接收音机的性能。种类：种类： 一般接收机中：三极管混频器。一般接收机中：三极管混频器。 高质量通信接收机：二极管环形混频器

2、、双差分对高质量通信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。平衡调制器混频器。 4.3.1通信接收机中的混频电路通信接收机中的混频电路一、主要性能指标一、主要性能指标1混频增益混频增益 定义：定义：混频器的输出中频信号电压混频器的输出中频信号电压 Vi( (或功率或功率PI) )对输对输入信号电压入信号电压 Vs( (或功率或功率 PS) )的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示( (与混频损与混频损耗耗 Lc 类似类似) ) SIclg10PPG 或或siclg20VVA 2噪声系数噪声系数定义：定义：输入信号噪声功率比输入信号噪声功率比 (PS/Pn)i 对输出中频信号对输出中频

3、信号噪声功率比噪声功率比 (PI/Pn)o 的比值，即的比值，即 onIinS)/()/(lg10PPPPNF 接收机的噪声系数接收机的噪声系数主要取决于它的前端电路，若无高主要取决于它的前端电路，若无高频放大器，主要由混频电路决定。频放大器，主要由混频电路决定。31 dB 压缩电平压缩电平( (PI1dB ) )图图 4- -3- -11 dB 压缩电平压缩电平 当当 PS 较小时，较小时， PI 随随 PS 线性增大，混频增益为线性增大，混频增益为定值定值； 当当 PS 较大时，较大时， PI 随随 PS 增大趋于缓慢。增大趋于缓慢。定义：定义：比线性增长低比线性增长低 1 dB 时时所对

4、应的输出中频功率电平，称所对应的输出中频功率电平，称 1dB 压缩电平压缩电平，用，用 PI1dB 表示。表示。 意义：意义：PI1dB 所对应的所对应的 PS 是是混频器动态范围的上限电平。混频器动态范围的上限电平。 4混频失真混频失真来源：来源： 接收机输入端存在的干扰信号；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，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，引起的失真称为叠加在有用中频信号上，引起的失真称为混频失真混频失真。5隔离度

5、隔离度混频器各端口之间在理论上应相互隔离，确保任一端混频器各端口之间在理论上应相互隔离，确保任一端口上的功率不会窜到其他端口上。口上的功率不会窜到其他端口上。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。定义：定义：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比( (用用分贝表示分贝表示) )。意义：意义：用来评价窜通大小的性能指标。用来评价窜通大小的性能指标。危害：危害：在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通危害最大。为保证混频性能，加在本振端口的本振功率都危害最大。为保证混频性能，加在

6、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。近接收机。 二、二极管环形混频器和双差分对混频器二、二极管环形混频器和双差分对混频器高性能接收机高性能接收机混频器种类混频器种类 双差分对平衡混频器双差分对平衡混频器二极管环型混频器二极管环型混频器1二极管环形混频器二极管环形混频器已有系列产品，以二极管开关工作所需本振功率电平已有系列产品，以二极管开关工作所需本振功率电平的高低分类：的高低分类： Level7、Lev

7、el17、Level23 ，所需的本振功率分所需的本振功率分别为别为 7 dBm( (5 mW) )，17 dBm( (50 mW) )，23 dBm( (200 mW) )。本振功率电平越高，相应的本振功率电平越高，相应的 1 dB 压缩电平也就越高，压缩电平也就越高，混频器的动态范围就越大。混频器的动态范围就越大。优点：优点：频带宽、噪声低、混频失真小、动态范围大。频带宽、噪声低、混频失真小、动态范围大。 缺点：缺点：无混频增益、端口间的隔离度较低。无混频增益、端口间的隔离度较低。2双差分对平衡混频器双差分对平衡混频器( (AD831) )图图 4- -3- -2AD831 的内部组成及构

8、成混频器的外接电路的内部组成及构成混频器的外接电路组成：组成：双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器、本双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器、本振驱动振驱动。 特点：特点：工作频工作频率达率达 500 MHz 以上；以上；混频增益高；输入混频增益高；输入端只需电压激励，端只需电压激励，不需匹配网络，使不需匹配网络，使用方便；设有本振用方便；设有本振驱动放大器，为保驱动放大器，为保证开关工作所需的证开关工作所需的本振功率小；且端本振功率小；且端口间隔离度高。反口间隔离度高。反向辐射小。向辐射小。缺点：缺点：噪声系数较大，动态范围小。噪声系数较大，动态范围小。4.3.2三极管混频电路三极管混频电路一

9、、作用原理一、作用原理1原理电路原理电路图图 4- -3- -3三极管混频器三极管混频器L1C1 ： 输入信号回路，调谐在输入信号回路，调谐在 fcL2C2 ：输出中频回路，调谐在：输出中频回路，调谐在 fI本振电压本振电压 vL = VLmcos Lt 接在基极回路中，接在基极回路中，VBB0 为为基极基极静态偏置电压静态偏置电压。 vBE = VBB0 + vL + vS2工作原理工作原理将将 VBB0 + vL 作为作为T的等效基极偏置电压，用的等效基极偏置电压，用 vBB(t) 表示，表示，称为时变基极偏置电压，当输入信号电压称为时变基极偏置电压，当输入信号电压 vS = Vsmcos

10、 ct 很很小，满足小，满足线性时变条件线性时变条件时，三极管集电极电流为时，三极管集电极电流为iC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vSiC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vS在时变偏压作用下，在时变偏压作用下，gm(vL) 的傅里叶级数展开式为的傅里叶级数展开式为gm(vL) = gm(t) = g0 + gm1cos Lt + gm2cos2 Lt + 其中，基波分量其中，基波分量 gm1cos Lt 与输入信号电压与输入信号电压 vS 相乘相乘gm1cos Lt Vsmcos ct = gm1Vsmcos( L - - c)t + cos( L + c

11、)t21令令 I = L - - c，得中频电流分量为，得中频电流分量为iI = IImcos It = tVgtVgIsmcmIsm1mcoscos21 其中其中1mmImmc21gVIg s s称为称为混频跨导混频跨导，定义为输出中频电流幅值，定义为输出中频电流幅值 IIm 对输入信号对输入信号电压幅值电压幅值 Vsm 之比，其值等于之比，其值等于 gm(t) 中基波分量幅度中基波分量幅度 gm1 的的一半。一半。若设中频回路的谐振电阻为若设中频回路的谐振电阻为 Re ，则所需的中频输出电，则所需的中频输出电压压 vI = - - iIRe ，相应的，相应的混频增益混频增益为为AC= =

12、- - gmc ResmImVV3 gmc 与与 VLm 和和VBB0 关系关系在满足线性时变条件下，三极管混频电路的在满足线性时变条件下，三极管混频电路的混频增益混频增益与与混频跨导混频跨导 gmc 成正比。而成正比。而 gmc 又与又与 VLm 和静态偏置有关。和静态偏置有关。三极管的转移特性曲性三极管的转移特性曲性 iC- -vBE ，它的各点斜率的连线即为跨，它的各点斜率的连线即为跨导特性导特性 gm(vBE) 。在。在 vBE = VBB(t) 的的作用下，便可画出作用下，便可画出 gm(t) 波形。波形。图图 4- -3- -4gmc(t) 的图解分析的图解分析可见，可见，VBB0

13、 一定，一定，VLm 由小增大时，由小增大时， gmc 也相应地也相应地增大，直到增大，直到 gm(t) 趋近方波趋近方波时，相应的时，相应的 gmc 便达到最大便达到最大值。值。 实际三极管混频电路采实际三极管混频电路采用分压式偏置电路，当用分压式偏置电路，当 VLm 增大到一定值后，由于特性增大到一定值后，由于特性的非线性，产生自给偏置效的非线性，产生自给偏置效应，基极偏置电压将自静态应，基极偏置电压将自静态值值 VBB0 向截止方向移动，因向截止方向移动，因而相应的而相应的 gmc 也就比上述恒也就比上述恒定偏置时小。定偏置时小。图图 4- -3- -5 gmc随随 VLm 变化的特性变

14、化的特性结果使结果使 gmc 随随 VLm 的变化的变化如图如图 4-3-5 实线所示。可见，实线所示。可见，相应于某一相应于某一 VLm 值，值，gmc 和相应的混频增益达到最大值。和相应的混频增益达到最大值。 实验指出，在中波广播实验指出，在中波广播收音机中，这个最佳的收音机中，这个最佳的 VLm 约为约为 20 200 mV。反之，当。反之，当 VLm 一定时，改变一定时，改变 VBB0( (或或 IEQ) ) 时，时，gmc 也会相应变化。也会相应变化。实验指出，实验指出，IEQ 在在 0.2 1 mA 时，时，gmc 近似不变，并接近最近似不变，并接近最大值。大值。二、电路二、电路电

15、路组成、工作原电路组成、工作原理、元件作用。理、元件作用。图图 4- -3- -6晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路电感三点式电路。电感三点式电路。本振电压输出由耦合线本振电压输出由耦合线圈圈 Le 加到加到 T1 管的发射管的发射极上。极上。天线上感生的信号天线上感生的信号电压通过耦合线圈电压通过耦合线圈 La 加加到输入信号回路，再通到输入信号回路，再通过耦合线圈过耦合线圈 Lb 加到加到 T1 管的基极上。管的基极上。 图图 4- -3- -6晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路La 和和 Lb 的值较小，的值较小，对输入信号，本振回路严对输入信号，本振回路严重失谐；对本振频率而言，重

16、失谐；对本振频率而言，输入信号回路严重失谐，输入信号回路严重失谐，避免反向辐射。避免反向辐射。4.3.3混频失真混频失真混频利用了器件特性的非线性，而器件的非线性又是混频利用了器件特性的非线性，而器件的非线性又是混频器产生各种干扰的根源。混频器产生各种干扰的根源。一、干扰哨声和寄生通道干扰一、干扰哨声和寄生通道干扰1干扰哨声干扰哨声( (组合频率干扰组合频率干扰) )( (1) )产生产生 混频器输入有用信号时，混频器件输出电流将出现众混频器输入有用信号时，混频器件输出电流将出现众多组频率分量多组频率分量fp,q =| pfL qfc |犹如混频器中存在着无数个变换通道，其中只有犹如混频器中存

17、在着无数个变换通道，其中只有 p = q = 1 的通道的通道是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的中频，而其余大量的变换通道无用甚至有害。例如：中频，而其余大量的变换通道无用甚至有害。例如：fs = 931 kHz， fI = 465 kHz， fL = fs + fI = 1 396 kHz 当当 fs 与与 fL 混合后，输出可能存在混合后，输出可能存在 2fs - - fL = ( (2 931 - - 1 396) )kHz = 466 kHz 的的组合频率组合频率，与，与 465 kHz 一起送到一起送到检波器，产生差拍现象，在扬声器听

18、到检波器，产生差拍现象，在扬声器听到 1 kHz 的的哨叫哨叫。听到的声音：哨叫听到的声音：哨叫干扰哨声干扰哨声干扰的原因：组合频率干扰：干扰的原因：组合频率干扰：显然，产生哨叫的条件：显然，产生哨叫的条件：| | pfL qfc | | = fI F 式中：式中：F 为音频为音频可分解为可分解为四个关系式四个关系式：qfc - - pfL = fI FpfL - - qfc = fI FpfL + qfc ：恒大于：恒大于fL- - pfL - - qfc ：无意义：无意义合并前两式，得产生干扰哨声的输入合并前两式，得产生干扰哨声的输入有用信号频率有用信号频率 fc 为为 pqFfpqpf-

19、 - - - Ic1fI F，上式可简化为，上式可简化为Ic1fpqpf- - ( (2) )减小干扰哨声的办法减小干扰哨声的办法 组合频率分量电流振幅随组合频率分量电流振幅随 (p + q) 的增加而迅速减小，因的增加而迅速减小，因而，只有对应于而，只有对应于 p 和和 q 为较小值的输入有用信号才会产生明为较小值的输入有用信号才会产生明显的干扰哨声，将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频显的干扰哨声，将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。段之外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。 例如，例如，由由 ，当，当 p = 0，q = 1 时干扰哨声强，时干扰

20、哨声强，相应输入信号频率接近于中频，即相应输入信号频率接近于中频，即 fc fI，因此，将接收机的，因此，将接收机的中频选在接收频段以外，避免这个最强的干扰哨声。例如，中频选在接收频段以外，避免这个最强的干扰哨声。例如，中频接收机，中频接收机，fI 规定为规定为 465 kHz。( (中波：中波：535 1 605 kHz) ) Ic1fpqpf- - 2寄生通道干扰寄生通道干扰( (副波道干扰副波道干扰) )( (1) )产生产生非接收频率的干扰台串入接收机所造成的干扰。非接收频率的干扰台串入接收机所造成的干扰。 当干当干扰台的频率扰台的频率 fM 与本振频率与本振频率 fL 满足满足 |

21、pfL qfM | = fI( (4- -3- -8) )时，干扰信号就将其频率时，干扰信号就将其频率 fM 变换为变换为 fI，顺利地通过中频放，顺利地通过中频放大器，造成干扰大器，造成干扰( (收音机听到干扰信号收音机听到干扰信号) )。这种干扰称为。这种干扰称为寄生寄生通道干扰通道干扰。 受受 fL - - fc = fI 的限制，的限制，式式( (4- -3- -8) ) 中中只有下两式成立只有下两式成立pfL - - qfM = fI ，qfM - - pfL = fI合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为 ( (4- -3- -9) )Ic

22、ILM1fqpfqpqffqpf 寄生通道干扰的两种最强情况：寄生通道干扰的两种最强情况： 中频干扰中频干扰( (p = 0，q = 1) ) fM = fI ，故称，故称中频干扰中频干扰。这时，混频器起到中频放大器。这时，混频器起到中频放大器的作用，具有比有用信号更强的传输能力。的作用，具有比有用信号更强的传输能力。 镜像干扰镜像干扰( (p = 1，q = 1) ) fK = fL + fI = fc + 2fI ，这时，干扰信号，这时，干扰信号 fK 在混频器中与在混频器中与 本振信号本振信号 fL混频后，其差频接近中频，与中频进行差拍检波，混频后，其差频接近中频，与中频进行差拍检波，出

23、现哨叫。出现哨叫。 若将若将 fL 想象为一面镜子，则想象为一面镜子，则 fK 就就是是 fc 的镜像，故称的镜像，故称镜像干扰镜像干扰。( (2) )解决办法解决办法中频干扰：中频干扰：与消除干扰哨声一样，与消除干扰哨声一样，中频应选在接收频段以外，远离接收段。中频应选在接收频段以外，远离接收段。 镜像干扰：镜像干扰： fK - - fc = 2fI ，可以采用两种措施：，可以采用两种措施：高中高中频方案、二次混频频方案、二次混频。3高中频方案高中频方案中频的两种选择方案：中频的两种选择方案： 低中频方案，低中频方案， fI f。4二次混频二次混频优点：优点：fI 低，中频放大器易实现高增益

24、和高选择性；低，中频放大器易实现高增益和高选择性；如在短波接收机中，接收频段为如在短波接收机中，接收频段为 2 30 MHz，中频选，中频选在在 70 MHz 附近。由于中频很高，镜像干扰频率远高于有附近。由于中频很高，镜像干扰频率远高于有用信号频率，混频的滤波电路很容易将它滤除。用信号频率，混频的滤波电路很容易将它滤除。图图 4- -3- -10二次混频接收机组成方框图二次混频接收机组成方框图近代数字移动通信接收机，第一中频很高，为近代数字移动通信接收机，第一中频很高，为 240 MHz ，可以在一混频前将镜像频率干扰有效地滤除。，可以在一混频前将镜像频率干扰有效地滤除。二、交调失真和互调失

25、真二、交调失真和互调失真交调失真和互调失真交调失真和互调失真会在混频器、高频和中频放大器会在混频器、高频和中频放大器中产生，现以混频器为例讨论。中产生，现以混频器为例讨论。1交调失真交调失真若接收机前端电路选择性不好，使若接收机前端电路选择性不好，使有用信号有用信号 vS 和和干扰干扰信号信号 vM 同时串入混频器输入端，且二者皆为调幅波，则通同时串入混频器输入端，且二者皆为调幅波，则通过混频器的非线性作用，将产生过混频器的非线性作用，将产生交叉调制失真交叉调制失真。现象：不仅可听到有用信号，同时也听到干扰信号。现象：不仅可听到有用信号，同时也听到干扰信号。当接收机对有用信号失谐时，干扰信号也

26、随之消失。当接收机对有用信号失谐时，干扰信号也随之消失。如同如同干扰台调制信号调制在有用信号频率上干扰台调制信号调制在有用信号频率上，故称，故称交叉调制干交叉调制干扰扰。原因：混频器件非线性的高次方项引起的，且与干扰原因：混频器件非线性的高次方项引起的，且与干扰信号电压振幅的平方成正比。信号电压振幅的平方成正比。设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为i = f (v) = a0 + a1v + a2v2 + a3v3 + a4v4 + 其中其中v = vL + vS + vM = VLmcos Lt + Vsmcos ct + VMmcos Mt代入代

27、入上式可知，上式可知，v 的二次方项的二次方项( (展开式中的展开式中的 2a1vLvS) )、四次、四次方项方项( (展开式中的展开式中的 4a4 vS + 4a4vL + 12a4vLvS ) )及更高偶及更高偶次方项均会产生次方项均会产生中频电流分量中频电流分量。其中。其中 12a4vLvS 产生的中产生的中频电流分量振幅为频电流分量振幅为 3a4vLmvSm ，其值与，其值与 VMm 有关。有关。3Lv3Sv2Mv2Mv2Mmv表明该电流分量振幅中含有干扰信号的包络变化，这表明该电流分量振幅中含有干扰信号的包络变化，这种失真是将干扰信号的包络交叉地转移到输出中频信号上种失真是将干扰信号

28、的包络交叉地转移到输出中频信号上去的一种非线性失真，故称为去的一种非线性失真，故称为交叉调制失真交叉调制失真。 2互调失真互调失真当混频器输入端同时作用着两个干扰信号当混频器输入端同时作用着两个干扰信号 vM1 和和 vM2 时，混频器还可能产生时，混频器还可能产生互调失真互调失真。令令v = vL + vS + vM1+ vM2= VLmcos Lt + Vsmcos ct + VM1mcos M1t+ VM2mcos M2t则则 i 中将包含的中将包含的组合频率分量组合频率分量fp,q,r,s = M2M1cLsfrfqfpf 其中，除了其中，除了 fL - - fc = fI ( (p

29、= q = 1，r = s = 0) )的有用中频分量的有用中频分量外，还可能在着某些特定的外，还可能在着某些特定的 r 和和 s 值上存在着值上存在着IM21MLfsfrff 的寄生中频分量，引起混频器输出中频信号失真。这种失的寄生中频分量，引起混频器输出中频信号失真。这种失真由两个干扰信号互相调制产生的，故称真由两个干扰信号互相调制产生的，故称互调失真互调失真。 当当 VM1m 和和 VM2m一定时，一定时，r 和和 s 值越小，相应产生的寄值越小，相应产生的寄生中频电流分量振幅就越大，互调失真也就越严重。其中，生中频电流分量振幅就越大，互调失真也就越严重。其中，若两个干扰信号的频率若两个

30、干扰信号的频率 fM1、fM2 十分靠近有用信号频率，十分靠近有用信号频率，则在则在 r 和和 s 为小值时为小值时( (r = 1，s = 2 或或 r = 2，s = 1) )的组合频的组合频率分量的频率有可能趋近于率分量的频率有可能趋近于 fI，即，即fL - (- (2fM1- - fM2) fI 或或 fL - - (2fM2- - fM1) fI亦即亦即2fM1 - - fM2 fc或或2fM2 - - fM1 fc因而这种互调失真最严重。由于因而这种互调失真最严重。由于 r + s = 3 ，故将这种失真，故将这种失真称为称为三阶互调失真三阶互调失真，它是由，它是由 v 四次方项

31、中的四次方项中的 12a4vL vM2 或或 12a4vLvM1 产生的。当产生的。当VM1m = VM2m = VMm时，它们的时，它们的幅度均为幅度均为 。 2M1v2M2v3MmLm423Vva3三阶互调失真截点三阶互调失真截点三阶互调失真的干扰信号频率十分靠近有用信号频率，三阶互调失真的干扰信号频率十分靠近有用信号频率，混频前滤波器不能有效滤除，与交调失真和其他非线性失混频前滤波器不能有效滤除，与交调失真和其他非线性失真比较，三阶互调失真的危害最严重，往往将允许的最大真比较，三阶互调失真的危害最严重，往往将允许的最大三阶互调失真作为混频器的重要性能指标，且将其对应的三阶互调失真作为混频

32、器的重要性能指标，且将其对应的最大输入干扰强度作为动态范围的上限。最大输入干扰强度作为动态范围的上限。设有用输入信号产生的中频电流分量幅值为设有用输入信号产生的中频电流分量幅值为smLm221VVa( (由由伏安特性伏安特性的二次方项产生的二次方项产生) )，与，与 Vsm 成正比，三阶互调失成正比，三阶互调失真分量的幅度与输入干扰信号幅度真分量的幅度与输入干扰信号幅度 VMm 的三次方成正比。的三次方成正比。 若用若用分贝分贝表示，则输出中频功率分贝数与输入信号功率表示，则输出中频功率分贝数与输入信号功率分贝数分贝数呈线性呈线性关系关系( (增加增加 10 dB，相应的也增加，相应的也增加

33、10 dB) )，直，直到到 1 dB 压缩点压缩点，以后就趋于平坦。，以后就趋于平坦。图图 4- -3- -11PI1dB 和和 PM3 的含义的含义实践表明实践表明， PIM3 大体上比大体上比 PI1dB 高高 10 15 dBm，若厂，若厂家提供家提供 1 dB 压缩电平，就可按上述确定压缩电平，就可按上述确定 PIM3 。PIM3 是混频器的重要性能指标，根据是混频器的重要性能指标，根据 PIM3 可估计某一可估计某一输入干扰电平所对应的输出三阶互调失真电平输入干扰电平所对应的输出三阶互调失真电平。而输出而输出三阶互调功率三阶互调功率分分贝数与贝数与输入干扰功率输入干扰功率分贝数分贝数成成三倍三倍的关系的关系( (增加增加 10 dB，相应的增加相应的增加 30 dB) )，即斜率，即斜率为前一特性斜率的三倍。