混频器设计

设计题目：混频器设计摘要混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。不论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中低频来进行处理。调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。本课题重点在于设计能给发射机电路提供稳定频率的混频器电子电路。超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调48．5M一870M的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路。通过后续的电路仿真和部分电路的调试，可以证明本课题的电路基本成熟，基本能完成语音信号的电压放大、频率调制和功率放大，达到发射距离的要求。发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。近年来,移动通信技术得到迅猛发展,在社会生活中扮演着越来越重要的角色。混频器是射频前端电路中实现频谱搬移的器件,是十分重要的模块。每个移动通信系统都要用到一个以上的混频器,其性能直接影响整个系统的性能。社会发展到今天，现代化的通讯工具在我们的生活中显得越来越重要。混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。目录一、设计任务与要求………………………………………………11.1设计任务……………………………………………………11.2设计要求……………………………………………………1二、总体方案………………………………………………………1三、设计内容………………………………………………………33.1混频器的组成框图及工作原理……………………………33.1.1乘法器的设计和原理……………………………………………43.1.2本振源的设计……………………………………………………53.1.3带通滤原理………………………………………………………73.1.4三极管混频器的电路组态及其优缺点分析……………………83.2参数选择……………………………………………………83.2.1混频跨导…………………………………………………………83.2.2混频增益…………………………………………………………93.2.3选择性……………………………………………………………103.2.4噪声系数…………………………………………………………103.2.5失真和干扰………………………………………………………103.3仿真结果与分析……………………………………………11四、总结……………………………………………………………14五、参考文献………………………………………………………151一、设计任务与要求1.1设计任务熟悉高频电子课程，锻炼自己设计电路，掌握混频器的一些知识。1.2设计要求设计能够实现输入信号频率范围：535~1605kHz，输出频率465kHz的混频器。二、总体方案对于混频电路的分析，重点应掌握，一是混频电路的基本组成模型及主要技术特点，二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法，三是应用电路分析。混频电路的基本组成模型及主要技术特点：混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路。混频电路的组成模型及频谱分析：图（1）图a是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中us(t)是已调高频信号。U1(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是Ui(t)为中频信号。混频电路的基本原理：图（2）2图2中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号。ui(t)输出信号。分析：当Us(t)=Usmcosψstuc(t)=Ucmcosψct则Up(t)=Us(t)*Uc(t)=Usmcosψ·stUcmcosψct=Amcosψst*cosψct其中：Am=Usm*Ucm对上式进行三角函数的变换则有：Up(t)=Amcosψst*cosψUc(t)=l／2Am[cos(ψc+ψs)t+COS(ψc一ψs)t]从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和频为(ψc+ψS)，差频为(ψC一ψS)。若选频网络是理想上边带滤波器则输出为：Ui(t)=1／2Amcos[ψc+ψs]t．若选频网络是理想下边带滤波器则输出：Ui(t)=1／2Amcos[ψc一ψs]t工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψcψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，Ui(t)=1／2Amcos[ψc一ψS]t为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标是混频跨导。规定混频跨导的计算公式：混频跨导g：输出中频电流幅度偷入信号电压幅度。混频器电路如图3所示。3图（3）三、设计内容3.1混频器的组成框图及工作原理变频（混频）是指将高频已调波经过频率变换，变为固定中频已调波,同时必须保持其调制规律不变。具有这种功能的电路称为混频电路或变频电路，亦称为混频器或变频器。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，如图1-1所示。本机振荡器用来提供本振信号频率fL。图（4）晶体管混频器的组成框图图（4）是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中us(t)是已调高频信号。U1(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是Ui(t)为中频信号。4CbCcVCC+-VBBT?TransUsULU1图（5）晶体管混频原理性电路晶体三极管混频器的原理性电路如图（5）所示，在发射结上作用有三个电压，即直流偏置电压VBB信号电压us和本振电压uL。为了减小非线性器件产生的不需要分量，一般情况下，选用本振电压振幅ULmUsm，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，如图1-5所示。t1时刻，在偏压VBB和本振电压uL的共同作用下，它的工作点在A点，此时us较小。因此，对us而言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。在另一时刻t2，对于us而言，由于偏压和本振电压的作用，工作点移到B点，这时对us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，这两个时刻的线性参数就不一样。因为us的工作点随uL的变化而变化，所以线性参量也就随着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于此种电路的输入端时，可以应用叠加原理。3.1.1乘法器的设计和原理在工程上常用的混频电路有三极管、场效应管集成模拟乘法器。我们以模拟乘法器混频电路为例分析，以掌握基本原理及分析方法：在数模混合电路中，时钟反馈和电荷的注人是模拟电路设计的最严重的噪声，是数模混合设计的难题，而FDCCII能有效地抑制偶次谐波和不需要的共模信号，提高信号输人的线性范围，非常适合数模混合Ic设计的构造模块，因此，FDCCII受到越来越多设计者的关注。其电路符号如图1所示，端口特性可用如下5混合矩阵方程表示：式(1)表明，当Vy3=Vy=0时，Vχ+＝Vχ-图（6）FDCCⅡ的CMOS实现电路对图（6）中的FDCC1I—A和MG1，有Iol=4K(VGl—VG2)(Yl—VY2)表明由两个FDCCII和两个MOS管MG1、MG2完成了一个四象限模拟乘法器，但由于MG1、MG2工作在电阻区，所以信号线性输入范围较小，于是在信号输入端引入有源衰减器。有源衰减器为了在较低的工作电压下保持较大的线性输入范围，在信号输入端引入有源衰减器。3.1.2本振源的设计本次设计采用LC电容三点式反馈电路，也叫考毕兹振荡电路。利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫电容三点式振荡器。三点式LC振荡器的相位平衡条件是2Fk，在LC谐振回路，cebecbXXX，cbX与beX﹑ceX性质相反，当beX﹑ceX为电容，cbX就是电6感；当beX﹑ceX为电感，cbX就是电容。在LC三点式振荡器电路中,如果要产生正弦波，必须满足振幅平衡条件：即满足1FA。由相位平衡条件和振幅平衡条件可得：FFFRi11选取60，故选用2N2222A三极管。2N2222A是NPN型三极管，属于低噪声放大三极管。本电路的三极管采用分压偏置电路，为了使三极管处于放大状态，必须满足：电流BQBII10~5电压ccBUU31~51由此可以确定R1=5.1K，R3=2.2K，R4=2K。正弦波的输出信号频率f=10MHz，电路连接如图（7）所示图（7）LC正弦波振荡器R1﹑R2﹑R4组成支流偏置电路，R5是集电极负载电阻，L2﹑CT﹑C﹑C4构成并联回路，其中R6用来改变回路的Q值，C1﹑C3为耦合电容，L1﹑C6﹑C5构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响。其交流通路如图（8）所示。7图（8）交流通路图根据设计要求，正弦波振荡器输出频率为10MHz，故由此可以大概确定L2﹑C4﹑CT的数值，再通过仿真进行调试最终确定其参数。电路的谐振频率为CTCLf//4221MHz1.10%710350101014.321126，静态工作点为mvRRRRVB3.982%551002.21.51.512321112，基本符合设求。3.1.3带通滤原理数字带通滤波器波器设计的主要参数包括阶数、滤波器类型、两个截止频率等。高阶滤波器的阻带衰减特性很好，但是，阶数高了之后难以实现。而对于有源滤波器来说，基波和主要谐波的频率相隔比较大，所以对阻带衰减率的要求不是很高，选用2阶滤波器就可以满足条件；又因为Butterworth滤波器在通带内特性较平，而且实现起来比较简单，经综合考虑后，选用2阶Butterworth带通滤波器。滤波器截止频率的选取和品质因数Q密切相关。Q越大，对谐波衰减越快，经带通滤波器提取出的基波分量越精确；但是，Q越大，带宽越小，动态响应速度会越慢，还会使数字滤波器的参数相差倍数过大，将增高对字长的要求。带通滤波器的通带宽度BW=ψ0／(2∏Q)=f0／Q。,f0是系统中心频率。这里我们Q取在5左右，使得带宽大概在10Hz左右。选取两个截止频率分别为45Hz和55．6Hz。这里要注意的是，由于带通滤波器的幅频特性的不对称性，中心频率并不是两个截止频率的平均值。两个截止频率的选取标准是保证50Hz中心频率的