第5章 频率变换与混频电路

第5章频率变换与混频电路5.1概述在现代通信系统和各种电子设备中，根据信号传输和处理的需要，普遍采用振幅调制与解调、频率调制与解调、混频、倍频等电路，这些电路有一个共同特征，就是在输出信号中，产生了原输入信号所没有的新的频率分量。这些电路都属于频率变换电路。频率变换电路的种类很多，根据电路的不同特点可分为线性频谱变换电路和非线性频谱变换电路。线性频谱变换的特点是在频率变换过程中，频谱结构不发生变化，输出信号频谱只是输入信号频谱沿频率轴上进行不失真的简单搬移，调幅、变频和检波等均属于这类电路。非线性频谱变换的特点是输出信号频谱和输入信号频谱不再是简单的线性关系，而是较复杂的非线性关系，调频、调相、鉴频和鉴相等电路都属于这类电路。频率变换功能由非线性元器件产生在高频电子线路中常用非线性元器件有非线性电阻和非线性电容。各种晶体二极管、三极管及场效应管都是非线性电阻器件，它们与线性电阻的区别在于其伏安特性是非线性的。变容二极管是一种常用非线性电容器件，其C-u曲线是非线性的。现在广泛使用的频率变换非线性器件是集成模拟乘法器，它是由集成电路内部的差分对晶体管构成的。混频是一种频率变换过程，是将信号从某一频率（或频段）变换为另一频率（或频段）的频谱线性搬移过程，显然，混频器也是一种非线性电路。本章首先介绍非线性元器件的基本特性及其分析方法，然后介绍广泛应用于超外差接收机、频率合成器等电路中的混频器的工作原理图5-1非线性电阻的伏安特性5.3模拟乘法器前面介绍了二极管、三极管等非线性器件的特性，它们都可用于频率变换。随着集成电路的发展，模拟集成乘法器已成为一种普遍应用的非线性模拟电路，模拟集成乘法器用于频率变换有比分立器件更好的特性，广泛地应用于无线电广播、电视、通信设备的有关电路。本节简要介绍模拟乘法器的电路组成、工作原理和分析方法。图5-8模拟乘法器的电路符号

图5-9模拟乘法器的工作象限5.3.2集成模拟乘法器实现模拟相乘的方法很多，有对数一反对数相乘法、四分之二平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分割相乘法、霍尔效应相乘法、环形二极管相乘法和变跨导相乘法等。其中，变跨导相乘法采用差分电路，它的交流馈通效应小，温度稳定性好，运算精度高，速度快，成本低，便于集成化，因而得到广泛应用。目前单片模拟集成乘法器大多采用变跨导相乘器。1.变跨导模拟乘法器的组成和工作原理变跨导模拟乘法器的基本电路是带恒流源的差分放大电路，图5-10是带恒流源的差分放大电路原理图。图5-10带恒流源的差分放大电路图5-11变跨导乘法器的基本电路图5-12双平衡乘法器原理图2.常用集成模拟乘法器双平衡模拟乘法器能实现两个输入信号的四象限相乘，而且频率特性较好，所以广泛应用于集成乘法器中，如国内产品XFC1596、CF1496/1596（与国外产品MC1496/1596性能相同）。图5-13是XFC1596集成乘法器的内部电路图。由图中可见，XFC1596集成模拟乘法器内部是由6个双极型晶体管分别组成3个差分电路，两个输入信号都是差动输入的双平衡模拟乘法器。为使输入信号的线性范围扩大，还有改进型的XFC1596集成模拟乘法器，其内部增加了线性补偿网络，称为线性化双平衡模拟乘法器。国产BG314、CF1595、FZ4等是通用性很强的模拟乘法器。它们的内部电路由线性化双平衡模拟乘法器组成，其工作原理与国外产品MCl495／1595、LMl495／1595基本相同。模拟乘法器不仅可应用于模拟运算电路中，而且广泛应用于无线电通信领域，通信系统中的模拟信号处理大都可归结为两个信号相乘或包含相乘的过程，因而可以使用通用模拟集成乘法器来完成，例如调制、解调、变频和倍频等非线性功能及实现AGC控制和压控振荡。采用模拟乘法器来实现这些功能，电路简单，性能优越而且稳定，调整方便，利于设备的小型化。图5-13XFC-1596内部电路图5.4混频电路混频就是将高频已调波信号变换成另外一个频率，而保持调制规律不变，具有这种功能的电路称混频电路。例如在超外差收音机中，把接收到的外来信号变换为465kHz的固定中频（低中频），这样能提高收音机的灵敏度和邻频道选择性。又如在工作频率为2～30MHz的单边带通信接收机中，却把接收到的外来信号变为70MHz的高中频，这样可以大大减少混频器产生的组合频率干扰和副波道干扰，提高接收机抗干扰能力。图5-14为混频器（mixer）的组成电路。它是由非线性器件和带通滤波器组成。如果混频器和本地振荡器共用一个器件，即非线性器件既产生本振信号又实现频率变换，则称之为变频器（convertor）。实际应用中常将“混频”与“变频”两词混用而不加以区别。图5-14混频电路原理图

图5-15调幅波混频前后波形和频谱的变化2.失真与干扰如果混频器输出中频信号的频谱结构和输入信号的频谱结构不同，则表示产生了失真。此外，在混频过程中，还会产生大量不需要的组合频率成分，形成干扰，影响接收机的正常工作。所以混频器不应工作在非线性过于严重的区域，以既能完成频率变换，又能达到减少各种组合频率干扰为目的。另外，混频器的主要指标还有选择性、噪声系数等，这里不再一一说明。5.4.2混频电路混频电路种类很多，在这里只介绍常用的集成模拟乘法器混频器、二极管混频器和晶体管混频器。1.集成模拟乘法器混频器混频器是频谱搬移电路，可用集成模拟乘法器来实现。典型的单片集成模拟乘法器有Motorola公司生产的MC1596、MC1595。图5-16是由MC1596组成的混频电路。已调波信号由X通道（1、4脚）输入，本振信号由Y通道（8、10脚）输入，中频信号（9MHz）由6脚单端输出。输出端型带通滤波器调谐在9MHz，回路带宽450kHz。本振注入电平为100mV，信号电压在5～7.5mV之间，混频增益达13dB。调50kΩ电位器使1、2脚直流电位差为零。图5-16MC1596组成的混频电路3.晶体管混频器晶体管混频器是利用晶体管的非线性实现变频的。（1）电路形式根据管子的组态和本振注入方式不同，晶体管混频器有图5-19所示的4种基本形式。其中，图5-19a、b为共发射极混频电路。信号电压都是从基极输入，区别是图5-19a本振电压从基极注入，图5-19b本振电压由发射极注入。图5-19c、d为共基混频电路。信号电压都是由发射极输入，区别是图5-19c本振电压由发射极注入，图5-19d本振电压由基极注入。图5-19a、b电路应用较广，而图5-19c、d一般在工作频率较高的混频电路中采用。上述4种形式的混频电路各有特点，但它们的混频原理是一样的，下面以图5-19a电路为例介绍它们的工作原理。图5-19晶体管混频器的基本形式图5-20晶体管混频器的原理图（3）实际电路举例图5-21a为收音机的变频电路（图中电阻R1上面的星号符号表示R1的阻值可在一定范围内调整）。图中天线线圈、、组成输入回路，调谐在信号载频上，选出所需的电台信号，经变压器输入到晶体管的基极。线圈、和电容、、组成振荡回路，调谐在本振频率上。本振电压经注入到晶体管的发射极。为中频变压器。和调谐在中频频率上，它作为晶体管的负载选出中频信号，并经输出。对于本振频率而言，、可看成短路。于是可画出变频器中的本振交流等效电路如图5-21b所示。图5-21收音机的变频电路5.4.3混频干扰为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态。混频器输入除了有用信号电压和本振电压外，还有从天线进来的各种干扰（inteference）信号。它们两两之间都有可能产生组合频率，这些组合频率如果等于或接近中频，将与有用信号一起通过中频放大器，经解调后在输出端形成干扰，影响有用信号正常接收。下面对几种常见干扰进行讨论。上式表明，若p和q取不同的正整数，则可能产生干扰啸叫声的信号频率会有无限多个，但一部接收机的工作频率范围有限，所以能产生干扰啸叫声的组合频率并不多。由（5-35）式可以看出，抑制干扰啸叫声的方法是合理地选择中频频率，将产生最强的干扰啸叫声的频率移到接收频段之外。例如当p=0、q=1，即时的干扰啸声最强，为避免最强的干扰啸叫声，应将接收机的中频选在接收频段之外。2.副波道干扰（寄生通道干扰）如果混频之前，输入回路和高频放大器的选择性不好，干扰信号也会进入混频器。这些干扰信号与本振信号同样也会形成接近中频的组合频率干扰，这种干扰称为副波道干扰或寄生通道干扰。设外来干扰信号频率为，则产生副波道干扰应满足下列关系式：对中频干扰，混频电路实际上起到中频干扰的放大器的作用，因而使中频干扰比有用信号有更强的传输能力。镜像干扰具有与信号相同的变换能力，一旦这两种干扰进入混频器，就无法抑制掉。因此，减小这两种干扰的有效方法是提高混频电路前级的选择性。3.交叉调制干扰（交调干扰）

交叉调制干扰是由器件特性的幂级数展开式中三次或更高次项产生。其现象是：当接收机对有用信号调谐时，在听到有用信号的同时，还可听到干扰电台的声音。当接收机对有用信号失谐时，干扰台也随之消失。好像干扰信号调制在有用信号载波的振幅上，故称为交叉调制干扰。交叉调制干扰的程度随干扰信号振幅的增大而急剧增大，而与有用信号振幅、干扰信号频率无关。减小交叉调制干扰的方法是提高混频前端电路的选择性、适当选择混频器件（如集成模拟相乘器、场效应晶体管和平衡混频器）等。本章小结1.二极管、晶体管及场效晶体管的伏安特性均是非线性的，所以可将它们视为非线性电阻元器件。非线性元器件具有频率变换作用，可在输出端产生输入信号所不具有的新的频率分量。2.非线性元器件的特性分析是建立在函数逼近的基础上，根据实际情况采用合理的近似分析法。一般可采用指数函数、幂级数或折线函数来近似。当输入信号较小时，采用前两种函数分析比较准确；当输入信号较大时，采用折线分析法比较方便。当有两个信号同时输入时，其中一个信号远大于另一信号，适用线性时变分析法。3.非线性元器件输入单一频率交流信号时，输出是输入信号的各次谐波；当输入是两个不同频率的交流信号叠加时，输出是两信号的各次谐波的组合分量。实际频率变换电路要求的频率分量只是组合频率中的极少数，为减少无用组合频率分量的干扰，需要采取抑制干扰措施。4.集成模拟乘法器是普遍使用的非线性模拟电路，其内部是由晶体管差分对组成的变跨导乘法器电路。集成模拟乘法器用于频率变换有比分立器件更好的特性，集成模拟