无线电通信-4.2-变频器的工作原理及各种混频器电路分析

在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从fs变换为固定fi的过程称为变频或混频。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF（以调幅为例）在接收机中，fi称为中频。一般其值为其中fo是本地振荡频率。soifff超外差式接收机1.定义其中，fi大于fs的混频称为上混频，fi小于fs的混频称为下混频。4.5变频器的工作原理举例经过混频器变频后，输出频率为soifffMHz)67.1(MHz)465.6165.2(～～MHz465.0混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。4.5变频器的工作原理混频器波形描述FfiFfiifFfsFfssf0≈≈≈相对幅度f中频调幅波高频调幅波本振信号频谱搬移频谱描述0f2、为什么要变频或混频？变频的优点：减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射；增加信道数，提高信息容量；错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。变频的缺点：容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰。3、变频器的分类按器件分：①晶体管混频器：具有一定的混频增益；②二极管混频器：具有动态范围大，噪声小；③场效应管混频器：交调、互调干扰少。按结构分：单管混频、平衡式混频、环型混频按中频分：上变频器（和频）、下变频器（差频）从两个输入信号在时域上的处理过程分：叠加型混频器、乘积型混频器4、主要性能指标变频增益：混频器输出中频电压𝑽𝒊𝒎与输入信号电压𝑽𝒔𝒎的幅值之比。𝑨𝒗𝒄=𝑽𝒊𝒎𝑽𝒔𝒎（4.5.2）或𝑨𝒑𝒄=𝑷𝒊𝑷𝒔（4.5.3）式中：𝑷𝒊中频输出信号功率；𝑷𝒔高频输入信号功率噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力。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。相互关联，综合考虑，合理选管混频器的种类•晶体三极管混频器（§4.6）•二极管混频器（§4.7）•模拟乘法器混频器（§4.8）第五章非线性电路分析法和混频器图4.6.1晶体管混频器的电路组态1.电路组态4.6晶体管的混频器对振荡电压来说是共射电路，输出阻抗较大（对谐振回路影响小）；信号输入电路与振荡电路相互影响较大(直接耦合)，可能产生频率牵引现象。混频时所需本地振荡注入功率较小（这主要因为共发电路功率放大性能较高）；共发射极、信号从同极输入三极管混频器指本振v0频率随vs频率改变而改变，而非自助振荡。输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，产生牵引现象的可能性小；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；需要较大的本振注入功率。但这一点不难实现，通常所需功率也只有几十毫瓦，因此这种方式的混频器在实际中应用最多。两种电路都是共基混频电路；较低频率工作时，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。较高频率工作时(几十MHz)，因为共基电路的𝒇𝜶比共射电路的𝒇𝜷要大很多，所以变频增益较大。因此，在较高频率工作（如电视机电路）时采用这种电路。三极管几种组态的总结•高频（尤其是上100MHz）时，应当采用共基极组态的混频器；•中高频（几百kHz到几十MHz）时，可以采用共射组态的混频器；•携带信息的有用信号vs与本地振荡信号v0尽量从不同极输入；即使从同极输入，应当使二者的耦合度降至最低。§5.6晶体(三极)管混频器2、晶体管混频原理：变跨导分析法晶体管混频器基本电路𝑽𝑩𝑩为基极偏置电压；𝑽𝑪𝑪为集电极直流电压；𝑳𝟏𝑪𝟏组成输入回路，谐振于输入信号频率𝝎𝒔；𝑳𝟐𝑪𝟐组成输出中频回路，谐振于中频𝝎𝒊=𝝎𝟎−𝝎𝒔。设输入信号为𝒗𝒔=𝑽𝒔𝒎𝒄𝒐𝒔𝝎𝒔𝒕，本振信号𝒗𝟎=𝑽𝟎𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕实际上，发射结上作用有三个电压𝒗𝒃𝒆=𝑽𝑩𝑩+𝒗𝒐+𝒗𝒔由于信号电压𝒗𝒔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。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。𝒗𝒃𝒆𝒗𝒃𝒆晶体管转移特性曲线因为𝑽𝟎≫𝑽𝒔𝒎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𝒊𝒄𝒕和跨导𝒈𝒎𝒕均随𝒗𝟎作周期性变化。𝒗𝟎+𝑽BB𝒗𝒔iC=f(VBB+v0)+f’(VBB+v0)vs已知振荡电压v0=V0mcosω0tcos2coscos)(0cm02cm01cm0c0BBtnItItIIVfnv时变电导其中𝒇𝑽𝑩𝑩+𝒗𝟎是𝒗𝒔=𝟎时随𝒗𝟎变化的电流，称为时变静态电流，𝒇′𝑽𝑩𝑩+𝒗𝟎随𝑽𝑩𝑩+𝒗𝟎而变化，称为时变电导𝒈𝒕。将𝒗𝟎=𝑽𝟎𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕，𝒗𝒔=𝑽𝒔𝒎𝒄𝒐𝒔𝝎𝒔𝒕带入上式，展开整理得：𝒊𝑪≈𝑰𝑪𝟎+𝑰𝒄𝒎𝟏𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕+𝑰𝒄𝒎𝟐𝒄𝒐𝒔𝟐𝝎𝟎𝒕+⋯+𝒈𝟎+𝒈𝟏𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕+𝒈𝟐𝒄𝒐𝒔𝟐𝝎𝟎𝒕+⋯𝑽𝒔𝒎𝒄𝒐𝒔𝝎𝒔𝒕展开后，此2项积化和差，产生差频分量:𝑽𝒔𝒎𝒈𝟏𝟐𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎−𝝎𝒔（4.6.1a）由于𝒗𝒔的值很小，可以忽略二次方及其以上各项，则𝒊𝑪近似为:𝒊𝑪≈𝒇𝑽𝑩𝑩′+𝒇′𝑽𝑩𝑩′𝒗𝒔=𝒇𝑽𝑩𝑩+𝒗𝟎+𝒇′𝑽𝑩𝑩+𝒗𝟎𝒗𝒔若中频频率取差频𝝎𝒊=𝝎𝟎−𝝎𝒔则混频后输出的中频电流为:其振幅为:𝒊𝒊𝒎=𝑽𝒔𝒎𝒈𝟏𝟐𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎−𝝎𝒔𝐭𝑰𝒊𝒎=𝑽𝒔𝒎𝒈𝟏𝟐（4.6.2）（4.6.3）由上式引出变频跨导𝒈𝒄的概念，它的定义为:输出的中频电流振幅𝑰𝒊𝒎与输入高频信号电压的振幅𝑽𝒔𝒎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𝑰𝒊𝒎也按相同的规律变化。𝒈𝒄=𝑰𝒊𝒎𝑽𝒔𝒎=𝟏𝟐𝒈𝟏（4.6.4）𝒈𝟏=𝟐𝑻𝒈𝒕𝑻𝟐−𝑻𝟐𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕𝒅𝒕（4.6.6）式中:𝒈𝒕=𝒈𝟎+𝒈𝟏𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕+𝒈𝟐𝒄𝒐𝒔𝟐𝝎𝟎𝒕+⋯𝒈𝟏是很难计算出来的，实验证明𝒈𝒄近似表达式：（4.6.5）𝒈𝒄=𝟎.𝟑𝟓~𝟎.𝟕𝑰𝑬𝟐𝟔𝟏+𝝎𝒔𝝎𝑻∙𝑰𝑬𝟐𝟔𝒓𝒃𝒃′𝟐𝒎𝑺（4.6.8）式中：𝝎𝑻为晶体管的特征角频率；𝝎𝒔为输入信号角频率；𝑰𝑬为工作点电流，单位为mA；𝒓𝒃𝒃′为基极电阻。了解即可3.实际电路举例：图4.6.5某调幅通信机混频器电路调谐于ωi调谐于ωs图4.6.6自激式变频器电路调谐于ωi调谐于ωs调谐于ω04.混频特点优点：有变频增益缺点：1）动态范围较小2）组合频率干扰严重3）噪声较大4）存在本地辐射4.6晶体管的混频器原因：当输入信号振幅比较大时，三极管混频器转移函数用泰勒级数展开后，必须取很多项，导致混频后输出信号的频率成分太多，干扰严重。...)()()()(404303202010VvbVvbVvbVvbbi4.二极管组成的混频器的特点缺点：变频增益小于1优点：1）组合频率少2）动态范围大3）噪声小4）本振电压无辐射4.7二极管混频器•二极管平衡混频器–利用对称的电路抵消掉一部分无用频率分量•二极管环形混频器（双平衡混频器）–是对二极管平衡混频器的改进4.7二极管混频器•4.7.1二极管平衡混频器•4.7.2二极管环形混频器（双平衡混频器）图4.7.1二极管平衡混频器......)12cos()12()1(2......3cos32cos221)(0100tnntttSnππ如果V0mVsm,D1和D2工作于开关状态，)21)((1s0Ld2,1vvtSRri4.7.1二极管平衡混频器图4.7.1二极管平衡混频器stSRriiiv)(1Ld21)21)((1s0Ld2,1vvtSRri4.7.1二极管平衡混频器由于信号电压𝒗𝒔很小，本振信号𝒗𝟎≫𝒗𝒔，可以认为𝑫𝟏和𝑫𝟐的导通和截止完全由𝒗𝟎决定，即𝒗𝟎正半周期时𝑫𝟏和𝑫𝟐导通；𝒗𝟎负半周期时𝑫𝟏和𝑫𝟐截止。......)12cos()12()1(2......3cos32cos221)(0100tnntttSnπstSRriiiv)(1Ld214.7.1二极管平衡混频器为了写出电流𝒊𝟏和𝒊𝟐的表达式，我们引入一个开关函数𝑺𝒕：𝑺𝒕=𝟏当𝒗𝟎正半周期，即𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕𝟎𝟎当𝒗𝟎负半周期，即𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕𝟎=𝟏𝒓𝒅+𝑹𝑳𝟏𝟐+𝟐𝝅𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕−𝟐𝟑𝝅𝒄𝒐𝒔𝟑𝝎𝟎𝒕+𝟐𝟓𝝅𝒄𝒐𝒔𝟓𝝎𝟎𝒕+⋯𝑽𝒔𝒎𝒄𝒐𝒔𝝎𝒔𝒕𝝎𝟎±𝝎𝒔𝝎𝒔𝟑𝝎𝟎±𝝎𝒔𝟓𝝎𝟎±𝝎𝒔比晶体（三极）管混频器产生的频率成分少的很多无直流分量图4.7.2二极管环形混频器4.7.2二极管环形混频器双平衡混频器为了进一步抑制非线性产物，采用环形混频器：图4.7.3在本振电压正半周的环形混频器stSRriiiv)(1'Ld314.7.2二极管环形混频器图4.7.4在本振电压负半周的环形混频器4.7.2二极管环形混频器𝒊′′=𝒊𝟒−𝒊𝟐=−𝟏𝒓𝒅+𝑹𝑳𝑺𝒕+𝑻𝟐𝒗𝒔（4.7.6）𝑺𝒕+𝑻𝟐=𝟏𝟐−𝟐𝝅𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕+𝟐𝟑𝝅𝒄𝒐𝒔𝟑𝝎𝟎𝒕−𝟐𝟓𝝅𝒄𝒐𝒔𝟓𝝎𝟎𝒕+⋯（4.7.8）sTtStSRriiiv)]2()([1'''LdtnnttTtStSn0100)12cos()12()1(43cos34cos4)2()(4.7.2二极管环形混频器𝒊=𝒊′+𝒊′′=𝟏𝒓𝒅+𝑹𝑳𝑺𝒕−𝑺𝒕+𝑻𝟐𝒗𝒔故有：（4.7.9）𝒊=𝟏𝒓𝒅+𝑹𝑳𝟒𝝅𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕−𝟒𝟑𝝅𝒄𝒐𝒔𝟑𝝎𝟎𝒕+𝟒𝟓𝝅𝒄𝒐𝒔𝟓𝝎𝟎𝒕+⋯𝑽𝒔𝒎𝒄𝒐𝒔𝝎𝒔𝒕𝝎𝟎±𝝎𝒔𝟑𝝎𝟎±𝝎𝒔𝟓𝝎𝟎±𝝎𝒔展开：（4.7.11）与二极管平衡混频器相比，又减少𝝎𝒔频率分量，意味着和差频信号得到更多能量，即效率提高。𝑺𝒕−𝑺𝒕+𝑻𝟐=𝟒𝝅𝒄𝒐𝒔𝝎𝟎𝒕−𝟒𝟑𝝅𝒄𝒐𝒔𝟑𝝎𝟎𝒕+⋯晶体（三极）管混频器：（有源混频器）优点：有变频增益缺点：1、动态范围较小2、组合频率干扰严重3、噪声较大4、存在本地辐射二极管混频器：（无源混频器）优点：1、动态范围较大2、组合频率干扰少3、噪声较小4、不存在本地辐射缺点：无变频增益目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品，一个用于0.5~500MHz的典型环形混频器的外形及电路示于下图。使用时，8、9端外接信号电压，3、4端相连，5、6端相连，然后在3，5端间加本振电压，中频信号由1，2端输出。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、调制器等。(a)89123456(b)•模拟乘法器混频原理tScost0costtS0coscos])cos()[cos(2100ttSS只有和频、差频分量，“垃圾”分量最少4.8差分对模拟乘法器混频电路图4.8.1差分对混频器图4