混频电路原理与分析..

6.5混频器原理与电路6.5.1概述6.5.2晶体三极管混频器6.5.3混频器的干扰6.5.1概述tffo非线性器件滤波器混频器vsv0tff0tviffi本机振荡器1.混频器的作用与组成混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上(常称为中频)，而保持原信号的特征(如调幅规律)不变。混频器的电路组成如图所示ωovoωo-ωSωo+ωSvIvSωS混频前后的频谱关系2.为什么要变频？变频的优点：1)变频可提高接收机的灵敏度2)提高接收机的选择性3)工作稳定性好4)波段工作时其质量指标一致性好变频的缺点：容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰3.变频器的分类平衡混频、按器件分：二极管混频器、三极管混频器、三极管变频器、场效应管混频器、场效应管变频器模拟乘法器混频器、按工作特点分：单管混频、环型混频从两个输入信号在时域上的处理过程看：叠加型混频器、乘积型混频器4.混频器的性能指标1)变频(混频)增益：混频器输出中频电压Vim与输入信号电压Vsm的幅值之比。2)噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。3)选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力。4)非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。上述的几个质量指标是相互关联的，应该正确选择管子的工作点、合理选择本振电路和中频频率的高低，使得几个质量指标相互兼顾，整机取得良好的效果。5)工作稳定性：主要指振荡器的频率稳定度vs(t)v非线性器件vI(t)ivo(t)带通叠加型混频器实现模型332210)(fvavavaavi图示中的非线性器件具有如下特性：对其2次方进行分析：os22o22s22os2222)(vvavavavvava在二次方项中出现了和的相乘项，因而可以得到(0+s)和(0-s)。若用带通滤波器取出所需的中频成分(和频或差频)，可达到混频的目的。5.混频器电路类型1)叠加型混频器所用非线性器件的不同，叠加型混频器有下列几种：1.晶体三极管混频器它有一定的混频增益2.场效应管混频器它交调、互调干扰少3.二极管平衡混频器和环形混频器它们具有动态范围大组合频率干扰少的优点vs(t)带通vI(t)vL(t)vo(t)乘积型混频器实现模型乘积型混频器由模拟乘法器和带通滤波器组成其实现模型如图所示设输入信号为普通调幅波tcos)tcosm1(V)t(vsasmstcosV)t(oomov])cos(())[cos(cos1(2)()(0000tttmVVKtktssaomsmsvvV采用中心频率不同的带通滤波器(0–s)或(0+s)则可完成低中频混频或高中频混频。2)乘积型混频器6.5.2晶体三极管混频器1.基本电路和工作原理viv0VCCVBBL1C1C2vceicvbeTvs++L2+––+––++–上图为晶体三极管混频器的原理电路。图中，VBB为基极偏置电压，VCC为集电极直流电压，L1C1组成输入回路，它谐振于输入信号频率s。L2C2组成输出中频回路，它谐振于中频i=o–s。设输入信号，本振电压)t(cosVssmsvtcosVooovsoBBbeVvvv实际上，发射结上作用有三个电压晶体管混频原理电路，其电路组态可归为4种电路形式fi+–+–vsvofi+–+–vsvofi+–+–vsvofi+–+–vsvo(a)(b)(c)(d)图(a)电路对振荡电压来说是共发电路，输出阻抗较大，混频时所需本地振荡注入功率较小，这是它的优点。，可能产生频率牵引现象，这是它的缺点。图(b)电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，因此，相互干扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此振荡波形好，失真小。这是它的优点。图(c)和(d)两种电路都是共基混频电路。在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作时(几十MHz)，因为共基电路的截止频率f比共发电路的f要大很多，所以变频增益较大。因此，在较高频率工作时采用这种电路。晶体管混频器的分析方法1.幂级数分析法2.变跨导分析法在混频时，混频管可看着一个参数(跨导)在改变的线性元件，即变跨导线件元件。在小信号运用的条件下，也可以将某些非线性元器件函数表达式用幂级数函数近似，使问题简化。用这种方法来分析非线性电路可突出说明频率变换作用，不便于作定量分析。i=a0+a1v+a2v2+a3v3+……由于信号电压Vsm很小，无论它工作在特性曲线的哪个区域，都可以认为特性曲线是线性的(如图上ab、ab和ab三段的斜率是不同的)。因此，在晶体管混频器的分析中，我们将晶体管视为一个跨导随本振信号变化的线性参变元件。变跨导分析法因VoVsm使晶体管工作在线性时变状态，所以晶体管集电极静态电流ic(t)和跨导gm(t)均随作周期性变化。ovVBB00iCtvBEvBEababa'b'加电压后的晶体管转移特性曲线时变电导v0vs由于信号vs远小于v0，可以近似认为对器件的工作状态变化没有影响。此时流过器件的电流为i(t)=f(v)=f(v0+vs+vBB)可将v0+vBB看成器件的交变工作点，则i(t)可在其工作点(v0+vBB)处展开为泰勒级数由于vs的值很小，可以忽略二次方及其以上各项，则i(t)近似为nsBB(n)sBBsBBBB)vV(vfn!)vV(vf!)vV(vf)Vf(vi(t)02000121sBBBB)vvf'(V)vf(Vi(t)00其中f(v0+vBB)是vs=0时仅随v0变化的电流，称为时变静态电流，f(v0+vBB)随v0+vBB而变化，称为时变电导g(t)，电流可以写为i(t)Io(t)+g(t)vs(t)将vBB+v0=VBB+V0mcos0tvs=Vsmcosst代入式展开并整理，得tVtgtggtItIIssmocmcmcccos)2coscos()2coscos(020102010itgtgtgtgtgVtItIItVtgtggtItIIsosososososococlcossooococlcoc)2cos(2)2cos(2)cos(2)cos(2cos2coscoscos)2coscos()2coscos(221122102i若中频频率取差频，则混频后输出的中频电流为其振幅为soit)cos(V2gsosm1iism1iV2gI由上式引出变频跨导gc的概念，它的定义为121gVIgSmic输入高频电压振幅输出中频电流振幅输出的中频电流振幅Ii与输入高频信号电压的振幅Vs成正比。若高频信号电压振幅Vsm按一定规律变化，则中频电流振幅Ii也按相同的规律变化。sm1iV2gI混频器除混频跨导外，还有输入导纳、输出导纳、混频增益等参数。前述已知在晶体管混频器的分析中，把晶体管看成一个线性参变元件，因此可采用分析小信号线性放大器时所用的等效电路来分析混频器的参数。–bvsvisgcebbbcbcc(a)Cbegcvbegbe+s–vsgbe+CbebbIs(b)晶体管混频器的主要参数i(1)混频输入导纳混频输入导纳为输入信号电流与输入信号电压之比，在计算混频器的输入导纳时，可将图所示的等效电路作进一步的简化。混频器的输入回路调谐于s，输出回路调谐于1。对频率s而言，输出可视为短路，同时考虑到CbeCbc，由此得到输入等效电路如图所示，并可以算出混频输入导纳为输入导纳的电导部分为而电纳部分（电容）一般总是折算到输入端调谐回路的电容中去。bbebsebsbbebsbbebsebicicsmsmicCCjCCgjbgVIY2222222112bb2eb2sbb2cb2sebicC1Cgg混频输出导纳为输出中频电流与输出电压之比，输出导纳是对中频i而言在输出端呈现的导纳。因此，调谐于s的输入回路可视为短路，得到输出等效电路如图所示，并可算出混频输出导纳为222321)(1)(1)(bbebicbibbcbbebicbbbbicceocociiiOCCCgjCcCCggjbgVIIIVIYCbcIiI1–vbegceCbegcvbegbe+I3I2vibb输出等效电路输出导纳中的电导为22)(1)(bbebicbebbbicceocCCCggg(2)混频输出导纳在混频中，由于输入是高频信号，而输出是中频信号，二者频率相差较远，所以输出中频信号通常不会在输入端造成反馈，电容Cbc的作用可忽略。另外，gce一般远小于负载电导GL，其作用也可以忽略。由此可得到晶体管混频器的转移等效电路如图所示–vsGLCbegcvbegbe+bbb+–vbeCet2cosgtcosgg)t(go2o10(3)混频跨导gc晶体管混频器的转移等效电路121gVIgSmic输入高频电压振幅输出中频电流振幅1sicg21VIg由于g(t)是一个很复杂的函数，因此要从上式来求g1是比较困难的。从工程实际出发，采用图解法，并作适当的近似，混频跨导可计为：2bbeTSec)26Iff(126I21gtdttgTgoTTcos)(2221g1是在本振电压加入后，混频管跨导变量中基波分量混频管跨导随本振电压V０变化(4)混频器的增益将混频输入电纳和输出电纳归并在输入、输出端的调谐回路的电容中去，则得到晶体三极管的等效电路如图所示，图中负载电导gL是输出回路的谐振电导。故混频电压增益LocscLociiggVgggIVLoccsivcgggVVAb–vsgLgcvs+bbiI+–giegoc+Vi–晶体三极管混频器等效电路由图可以算出ieLvcicLLoccicsLisiPCggAggggggVgVPPA22222)(混频功率增益b–vsgLgcvs+bbiI+–giegoc+Vi–如果电路匹配，使goc=gL，则可得到最大混频功率增益ocic2cmaxpcgg4gA(1)混频电路下图是电视机中的混频器电路。由高频放大器输入的信号，经双调谐电路耦合加到混频管的基极，本振电压通过耦合电容C1也加到基极上。本振信号的频率要比信号的图像载频高38MHz，为了减小两个信号之间的相互影响，耦合电容C1的值取得很小。接高放V0C12.2pF8.2pF10pF2k15k1500pFR1.2kC3120pF51075接中放12V27pFC239pF电视机的混频电路3.晶体三极管混频器的实际电路为使输出电路在保证带宽下具有良好的选择性，常采用双调谐耦合回路，并在初级回路中并联电阻R，用以降低回路Q值，满足通带的要求。次级回路用C2，C3分压，目的是与75电缆特性阻抗相匹配。下图为晶体管混频器实用电路的交流通路。应用在日立CTP-236D型彩色电视机ET-533型VHF高频头内。图中的V1管用作混频器，输入信号(即来自高放的高频电视信号，频率为fs)由电容C1耦合到基极；本振信号由电容C2也耦合到基极，构成共射混频方式，其特点是所需要的信号功率小，功率增益较大。混频器的负载是共基式中频放大器(V2构成)的输入阻抗。fs高频电视信号fLC0C1本振信号V1V2C183C187CMC187C189L181L182C190R190R189中频电视信号fPIF、fSLFC2晶体管混频器实用电路(2)变频电路下图是晶体管中波调幅收音机常用的变频电路，其中本地振荡和混频都由三极管3AG1D完成。C1A5/15pFC2sR122kR28