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1、哈尔滨工业大学 2009.12 第九章 变频电路 2 高频电子线路第九章变频电路 FP 无线电发送与接收设备组成 无线通信系统的基本组成 3 高频电子线路第九章变频电路 FP 第九章 变频电路 u主要内容 概述 晶体三极管混频 二极管混频器 模拟乘法器混频器 混频器的干扰与失真 4 高频电子线路第九章变频电路 FP 第一节 概述 1、变频电路的功能是将已调波的载频变换成固定的中频 频率，而保持其调制规律不变。 时域表示法 频域表示法 一、变频电路的功能 5 高频电子线路第九章变频电路 FP 2、混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络 。 本地振荡信号 一个中频输出信号： uc (
2、fc) uL (fL) uI (fI) 混频器 t uc (t) t uI (t) t uL (t) 有两个输入信号： 高频调制波 fc fc+Ffc+Ff uc的频谱 fc fLf uL的频谱 fIfI+F fI+Ff uI的频谱 u 输入信号uc与输出信号ui的包络形状相同，频谱结构相同， 只是中心频率不同： 6 高频电子线路第九章变频电路 FP 非线性器件用于频率变换 混频器 变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。 二、变频器的组成 混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成 常用的非线性器件 晶体三极管 二极管 场效应管 差分对管 模拟乘法器 7 高频电子线路第九章变频电路 FP
3、 输入信号us与本振信号 uL通过非线性器件后会产生很多新 的频率分量。其通过带通滤波器可选出其中之一，称其为中 频频率。若带通滤波器取 fI=fL+fs称高中频。若带通滤波器取 fI=fL-fs称低中频。 混频器 8 高频电子线路第九章变频电路 FP 混频器是频谱的线性搬移电路，实现所需的频谱线性搬移功能。 2max I= L- c 乘法器 带通滤 波器 输入已调波： 两信号的乘积项： 三、 混频器的基本工作原理 L uL L- cL+ c uI 本振信号: uc c 如果带通滤波器的中心频率为 ,带宽 则经带通滤波器的输出为： uI uc uL uL uc 非线性 元件 带通滤 波器 9
4、高频电子线路第九章变频电路 FP u 乘法器带通滤波器 uDSB uo 2ma x o uDSB 乘法器低通滤波器 uo u max 四、 振幅调制、检波与混频器的相互关系 (DSB为例) uDSB= uc 乘法器 uL 带通滤波器 uI I=L-c L c I=L-C 2max 调幅 检波 混频 10 高频电子线路第九章变频电路 FP 因为混频器常作为超外差接收系统的前级，对接收机整机的噪声系数 影响大。 所以希望混频级的 Fn 越小越好。 1、变频增益： 变频电压增益: 变频功率增益 : 2、噪声系数: 3、失真与干扰变频器的失真主要有 : 频率失真 非线性失真 4、选择性 在混频器中，由
5、于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信 号，为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩 形系数趋近于1。 五、变频器的技术指标 11 高频电子线路第九章变频电路 FP 第二节 晶体三极管混频器 一、晶体三极管混频器的工作原理 Vbb为直流偏置电压，us为输入信号，uL为本振信号。集电极回 路调谐于中频I。 晶体三极管混频器的原理电路 12 高频电子线路第九章变频电路 FP 一个大信号和一个小信号同时作用 于非线性元件 u晶体三极管在 Vbb，uL和us的作用 下工作于非线性状态。 u由于 us很小，可以认为晶体管的 工作点在Vbb+uL的作用下发生变化 u在每一个工作点，
6、对us来说都是工 作于线性状态，只不过不同的工作 点其线性参量不同。这种随时间变 化的参量称为时变参量。 电路的输入条件是： us = Usm cosst 为小信号 uL = ULm cosLt 为大信号 ULm Usm u三级管的集电极电流 ic 是在Vbb， uL和us的共同作用下产生的。 13 高频电子线路第九章变频电路 FP 二、 晶体三极管混频器的时变参量分析 因为： 因为us的值很小，在us的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可 以将函数 ic=f (ube) 在时变偏压 Vbb + uL(t)上展开成泰勒级数，则 因为uce对ic的影响远小于 ube对ic的影响，于是： 正向
7、传输特性 1、混频器的时变参量表示式 14 高频电子线路第九章变频电路 FP 对于小信号us，其高阶导数很小，可近似为： 式中： f Vbb +uL(t)为 ube = Vbb +uL(t)时集电极电流； 为 ube = Vbb +uL(t)时晶体三极管的跨导。 由于本振电压为大信号，工作于非线性状态， f Vbb +uL(t)和g均随 uL(t) 变化呈非线性，则： 式中，Ic0、Ic1m、Ic2m、g0、g1、g2分别为ube =Vbb +uL(t)时集电极电流中的 直流、基波、二次谐波分量的幅值及跨导的平均分量、基波和二次谐 波分量的幅值。 15 高频电子线路第九章变频电路 FP 2、输
8、入us后产生的混频电流 在输入信号 us(t)=Usmcosst 作用下，集电极电流为： 16 高频电子线路第九章变频电路 FP 3、通过带通滤波器取出中频 若中频频率取差频I=L-S，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为： 其振幅为I1m=g1Usm /2 。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅Usm成正比。 若输入信号为调幅波，Usm(1+macost)cosst，则输出中频电流为： 17 高频电子线路第九章变频电路 FP 4、混频器的变频跨导gc 变频跨导是输出中频电流振幅IIm与输入高频信号振幅 Usm之比，即： 在数值上变频跨导是时变跨导g(t)的基波分量的一半，可以通过 g(t)的
9、基波分量g1来求变频跨导： 18 高频电子线路第九章变频电路 FP 混频器等效电路 三、 晶体三极管混频器的等效电路 由于本振电压为大信号，对于输 入信号us为小信号来说可以等效为时 变参量的线性电路。 输入回路调谐于s，输出回路调谐 于I，等效电路各参量可根据定义和 混合等效电路求出。 变频电压增益 变频功率增益 当gL=goc时，输出回路匹配，变频功率增益最大。 19 高频电子线路第九章变频电路 FP 四、具体电路和工作状态的选择 根据输入信号us可构成共 射和共基两组态。而对本 振电压的注入可分从基极 注入和发射极注入两种组 态，因此有四种组态。 混频器的四种组态 1、晶体三极管混频器的
10、四 种组态 us为共射组态(uL基极注入) us为共射组态(uL射极注入) us为共基组态(uL射极注入)us为共基组态(uL基极注入) 20 高频电子线路第九章变频电路 FP 混频器的四种组态 (a) us为共射组态，输入阻抗 高，变频增益大。uL是基极注 入，输入电抗大，易于起振。 但两者相互影响大，可能产生 频率牵引。 （b）对uL相当于共基，起振 不易，但两者相互影响小。 （c）、（d）us为共基组态输 入阻抗小，变频增益小；但高 频特性好，上限频率高。 us为共射组态(uL基极注入)us为共射组态(uL射极注入) us为共基组态(uL射极注入)us为共基组态(uL基极注入) 21 高
11、频电子线路第九章变频电路 FP 2、具体电路 收音机变频电路 晶体管除了完成混频任务外，还兼作本机振荡器的振荡管，为互感耦 合的自激振荡器。本振电压由电容耦合到晶体管的发射极。 22 高频电子线路第九章变频电路 FP u晶体三极管混频器的参数随着管子的工作状态变化而变化。工作状 态是由直流偏压和本振电压的幅值来决定。 u选择晶体三极管混频器的原则：变频功率增益大和噪声系数小。 变频功率增益 Apc和噪声系数 NF与ULm和IEQ的关系的实验结果如图所示。 ULm在100mV左右，IEQ在0.30.7mA为宜。 3、工作状态的选择 E Apc和NF与ULm、IEQ的关系 23 高频电子线路第九章
12、变频电路 FP 第四节 二极管混频电路 一、概述 二极管混频器的优点 l电路结构简单 l噪声低 l动态范围大 l组合频率分量少 如果采用肖特基表面势垒二极管，工作频率可高达微波 频段，因而应用广泛。 二极管混频器的分类 l平衡型混频器 l环形混频器 24 高频电子线路第九章变频电路 FP 二、二极管平衡混频器 电路条件 (1) 本振电压uL足够大，晶体二极管工作在受uL控制的开关状态。 (2) 输入回路的次级调谐于s；输出回路的初级调谐于I。相当于 两个带通滤波器。 平衡混频器原理电路 25 高频电子线路第九章变频电路 FP 原理分析1开关工作状态下，流过二极管D1、D2的电流 2在无带通滤波
13、的条件下，流过输出回路的电流为 设 ，则 26 高频电子线路第九章变频电路 FP 3当输出回路调谐于 I=L-s时，则输出中频电流为 是 us和uL正向混频产生的中频电流和中频输出电压反作用产生 的中频电流之差。 4当输入回路调谐于s时，流过输入回路初级的电流是： 是由 us在输入回路中产生输入电流和 us与uL经反向混频产生 输入电流之差。 27 高频电子线路第九章变频电路 FP 混频器等效电路 二极管开关混频器等效电路 由is和iI的关系式得出，其中： i s i I 28 高频电子线路第九章变频电路 FP 二极管开关混频器等效电路 由于混频器等效电路是对称的型双口网络，其特性电导g0的定
14、义是 在输出端接入gL =g0时，从输入端看输入电导为g0 。同样，当在输入端接 入 gs =g0时，从输出端向里看的输出电导为g0 。因而 全匹配条件 gL =g0 且 gs =g0，此时能获得最大的功率传输。 u全匹配条件F的变频功率增益 u混频器工作于全匹配的条件 i s i I 29 高频电子线路第九章变频电路 FP 三、二极管环形混频器 本振电压uL足够大，使 D1、D2、D3、D4处于开关工作状态。 本振电压正半周，D1、D2导通，D3、D4截止，开关函数为k(Lt) 。 本振电压负半周，D1、D2截止，D3、D4导通，开关函数为 k(Lt-) 。 输入回路的次级调谐于 s 输出回
15、路的初级调谐于 I 相当于两个带通滤波器 30 高频电子线路第九章变频电路 FP 原理分析 (1) 在本振信号正半周，D1和D2组成平衡混频器 (2) 在本振信号负半周，D3和D4组成平衡混频器 (3) 无带通滤波条件下，输出电流 (4) 有带通滤波器时，选出中频电流 31 高频电子线路第九章变频电路 FP (5) 无带通滤波条件下，输入电流 (6) 有带通滤波器时，选出输入电流 结论： 环形混频器与平衡混频器相比，增加了两个二极管，其输出中频电 流和输入电流都增大二倍。同时在输出电流中进一步抵消了s、 LI、3LI等分量。因而其应用较为广泛。 32 高频电子线路第九章变频电路 FP 第五节 模拟乘法器混频器 MC1596构成混频器 外来输入信号 本振信号 33 高频电子线路第九章变频电路 FP MC1596构成混频器 u 输入信号Usm约为1.5mV，本振电压ULm 约为100mV。 u 6、9端分别接100uH 电感到电源，对于工作频率fI=9MHz 等效为 5.6K欧姆电阻。 u 混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz。 34 高频电子线路
