高频电子线路混频部分

第6章振幅调制、解调及混频6.36.3.1混频的概述1．•混频器是频谱线性搬移电路,六端网络。•有两个输入电压,输入信号us和本地振荡信号uL,其工作频率分别为fc和fL输出信号为uI,称为中频信号,其频率是fc和fL的差频或和频,称为中频fI,fI=fL±fc(也可采用谐波的差频或和频)。•在频域上起着加（减）法器的作用。第6章振幅调制、解调及混频图6―51混频器的功能示意图混频器ffcfLfffIus(fc)uI(fI)uL(fL)tt00000(a)(b)第6章振幅调制、解调及混频混频器输出取差频时，称为向下变频，输出低中频。混频器输出取和频时，称为向上变频，输出高中频。常用的中频数值为：465(455)、500kHz；1、1.5、4.3、5、10.7、21.4、30、31.5、38、70、140MHz等。混频器、振幅调制与解调都是频率变换电路，也是在频域上起加法器和减法器的作用，同属频谱的线性搬移。从实现电路看，输入、输出信号不同，因而输入、输出回路各异。从频谱搬移看，调制是将低频线性地搬移到载频的位置；解调是将已调信号的频谱从载频(或中频)线性搬移到低频端；而混颇是将载波信号频谱线性搬移到中频处。第6章振幅调制、解调及混频图6―52(a)调制(b)解调(c)混频0000fffcfc00ff(a)(b)ff00(c)ffffcfcfLfI第6章振幅调制、解调及混频2设输入到混频器中的输入已调信号us和本振电压uL分别为us=UscosΩtcosωctuL=ULcosωLt这两个信号的乘积为1coscoscos1cos[cos()cos(cosc2os)]sLsLcLsLLLIIccuuUUtuUtttUUtttt滤波后输出：第6章振幅调制、解调及混频图6―53混频器的组成框图带通滤波器usuouLuI(a)带通滤波器非线性器件uIuouL(b)us第6章振幅调制、解调及混频本振为单一频率信号,其频谱为FL(ω)=π［δ(ω-ωc)+δ(ω+ωc)］输入信号为己调波,其频谱为Fs(ω),则11()()()()[()()]221[()()]2osLsccscscFFFFFF第6章振幅调制、解调及混频图6―54(a)本振频谱(b)信号频谱(c)输出频谱－(L＋c)－I＝－(L－c)0I＝L－cL＋c|Fo()|c－c0(b)(c)L－L0(a)|Fs()||FL()|第6章振幅调制、解调及混频混频与变频由单独振荡器提供本振电压的混频电路称为混频器。振荡和混频功能由一个非线性器件(晶体管)完成的混频电路称为变频器。振荡器和混频器两部分合起来称为变频器。变频器是四端网络，混频器是六端网络。通常将“混频”与“变频”两词混用，不再加以区分。混频技术应用广泛，变频器是超外差接收机中的关键部件。第6章振幅调制、解调及混频3．1)变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅UI与高频输入信号电压振幅Us之比,即IvcsIpcsUKUPKP(6―88)同样可定义变频功率增益为输出中频信号功率PI与输入高频信号功率Ps之比,即(6―89)第6章振幅调制、解调及混频1120lg()10lg()vcspcsUKdBUUKdBU通常用分贝数表示变频增益,有变频增益表征了变频器把输入高频信号变换为输出中频信号的能力。增益越大，变换的能力越强；对接收机而言，有利于提高灵敏度。(6―90)(6―91)第6章振幅调制、解调及混频2)混频器的噪声系数NF定义为描述混频器对所传输信号的信噪比影响的程度。混频级对接收机整机噪声系数影响大，所以希望混频器的NF越小越好。FN输入信噪比(信号频率)输出信噪比(中频频率)(6―92)第6章振幅调制、解调及混频3)变频器的失真有频率失真和非线性失真。除此之外,还会产生各种非线性干扰,如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞和倒易混频等干扰。所以,对混频器不仅要求频率特性好,而且还要求变频器工作在非线性不太严重的区域,使之既能完成频率变换,又能抑制各种干扰。第6章振幅调制、解调及混频4)变频压缩(抑制)混频器输出与输入信号幅度应成线性关系。实际上,由于非线性器件的限制,当输入信号增加到一定程度时,中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系,如图6―55所示。通常使实际输出电平低于其理想电平，定值(3dB或ldB)的输入电平的大小来表示压缩性能的好坏。此输入电平电平称为混频器3dB压缩电平。此电平越高，性能越好。第6章振幅调制、解调及混频图6―55混频器输入、输出电平的关系曲线中频输出电平/dB3dB3dB压缩电平输入电平/dB第6章振幅调制、解调及混频5)混频器的中频输出的有用信号(反映为中频,即fI=fL-fc），不应与其他干扰信号。但在混频器的输出中,混杂很多与中频频率接近的干扰信号。为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路有良好的选择性，即回路应有较理想的谐振曲线(矩形系数接近于1)第6章振幅调制、解调及混频6.3.2混频电路1．晶体三极管混频器原理电路f0＝fIEcEbuLusic()isBsBBBLLUUuuUtUu输入电压：且时变偏置电压：＝第6章振幅调制、解调及混频00012()()()(cosc(os2))isBBBsLCcmscmmsLmBLLuuUUUiItgtuItggtgttUuu输入电压：且时＝变偏置电压：(6―93)经集电极谐振回路滤波后,得到中频电流iI111II1I11cos()cos22coscosmsLcmsCsigUtgUtgUtIt(6―94)只有时变跨导的基波分量才能产生中频分量第6章振幅调制、解调及混频•变频跨导gC=gm1/2,gm1只与晶体管特性、直流工作点及本振电压UL有关,与Us无关,故变频跨导gC亦有上述性质。由式(6―94),有Cg输出中频电流振幅输入高频电压振幅1112msIgU(6―95)111()cos11()cos22mmLLCmmLLggtdtgggtdt(6―96)(6―97)第6章振幅调制、解调及混频图6―57gC～UL的关系gm00Ebt①②③④ubeube′gm(t)①②③④t00gcc第6章振幅调制、解调及混频图6―58gC～Eb的关系gmgm(t)ube0①②③0①②③tgcEb0第6章振幅调制、解调及混频图6―59混频器本振注入方式usuL(a)usuL(b)CLusuL(c)•混频器的实际电路中，除了有本振电压注入外，混频器与小信号调谐放大器的电路形式很相似。•本振电压加到混频管的方式，一般有射极注入和基极注入两种。第6章振幅调制、解调及混频图6―60(a)中波AM收音机的变频电路第6章振幅调制、解调及混频图6―60收音机用典型变频器线路(b)FM收音机变频电路第6章振幅调制、解调及混频2．二极管混频电路在高质量通信设备中以及工作频率较高时,常使用二极管平衡混频器或环形混频器。其优点是噪声低、电路简单、组合分量少。图6―61是二极管平衡混频器的原理电路。输入信号us为已调信号；本振电压为uL,有ULUs,大信号工作,由第5章可得输出电流io为2()1122(coscos)cos223oDLsDLLscigKtugttUt(6―98)输出端接中频滤波器,则输出中频电压uI为122cos()cosLILILDsLsIIuRiRiRgUtUt(6―100)第6章振幅调制、解调及混频图6―61二极管平衡混频器原理电路usUIfsfIuL第6章振幅调制、解调及混频图6―62为二极管环形混频器,其输出电流io为III2()442(coscos3)34cos()cosoDLsDLLscDDLcigKtugttUtugUtUt经中频滤波后,得输出中频电压(6―100)(6―101)第6章振幅调制、解调及混频图6―62环型混频器的原理电路usuLi2iⅠiⅡi1i3i4iⅡiⅠUI第6章振幅调制、解调及混频•环形混频器的输出是平衡混频器输出的两倍，且减少了电流频谱中的组合分量，这样就会减少混频器中特有的组合频率干扰。•二极管混频器虽然没有变频增益，但动态范围大，线性好(尤其是开关环形混频器)及使用频率高等优点，仍得到广泛的应用。第6章振幅调制、解调及混频图6―63正交混频器分配器90°环形混频器环形混频器分配器0°usuI1uLuI2第6章振幅调制、解调及混频3．•第五章介绍的频谱线性搬移电路均可完成混频功能。•图6－64中输入变压器是用磁环绕制的平衡—不平衡宽带变压器,加负载电阻200Ω以后,其带宽可达0．5～30MHz。•XCC型乘法器负载电阻单边为300Ω,带宽为0～30MHz,因此,该电路为宽带混频器。第6章振幅调制、解调及混频图6―64差分对混频器线路5168232.2k0.01本振输入(500)1.5V0.00171000.019VV1V21.2k信号输入(50)1:6.6T112.6:1信号输出(50)T2V3第6章振幅调制、解调及混频图6―65用模拟乘法器构成混频器MC1596G781410596325150k51uLus0.001F510.01F100H100H0.001F9.5H5～80pF5～80pF输出6.8k－8VZLRL＝50L19MHzZL10k10k100mV0.001F1k1k＋8V20012012012020012091078546123116200.033F126206200.033F0.033F1.2k1.2k输出12VZLZL1kZL0.033F0.033F3.3k3.3kuLus(a)(b)V1V2－12V调零100第6章振幅调制、解调及混频场效应管构成的混频器•场效应管工作频率高，其特性近似于平方律，功态范围大、非线性失真小，噪声系数低，单向传输性能好。因此，用场效应管构成混频器，其性能好于晶体三极管混频器。第6章振幅调制、解调及混频图6―66场效应管混频器的实际线路L2C30.5/8pF0.001Lc3.9H0.5/8pFC4C50.5/8pFL30.15HL1C70.5/8pF5/30pF0.001250MHzuL(50)200MHzus(50)C1C20.5/8pF(a)50MHz(50)15VLc3.9H­UG0第6章振幅调制、解调及混频图6―66场效应管混频器的实际线路0.15HC4470pFuLC6C5L3L1C2L215V-UG0us200MHz(b)C3第6章振幅调制、解调及混频加在两管栅极的交流电压分别为uGS1=us+uLuGS2=-us+uL,两管的漏极交流电流分别为iD1=a(us+uL)+b(us+uL)2iD2=a(-us+uL)+b(－us+uL)2流过变压器T2的交流电流为iD=iD1-iD2=2aus+4busuL2(1)GSDDSSpuiIU第6章振幅调制、解调及混频图6―67场效应管平衡混频器电路C1C2T1usus＋－＋－us＋－uLV1V20.01C1C2L1kEDT2uIL第6章振幅调制、解调及混频图6―68场效应管环形混频器T2IFT3V4V2cV1V3aefT1usduLb第6章振幅调制、解调及混频频谱的线性搬移小结•振幅调制、解调与混频都属于频谱的线性搬移。•从频谱上看，是将输入信号的频谱搬移到频谱的另一个位置，搬移的过程中频谱的结构不发生变化。•完成这些频谱线性搬移功能的实现电路形式是相同的，不同点在于输入、输出回路和滤波器的不同。•二极管电路、差分对电路、晶体三极管电路、场效应管电路均可用于完成调制、解调与混频功能，具体选择何种电路，应根据实际应用环境和系统的性能指标而定。第6章振幅调制、解调及混频第6章振幅调制、解调