《清华-射频电路原理-第八节第四章混频器_912602638》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华-射频电路原理-第八节第四章混频器_912602638（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、通信电路原理第四章非线性电路及其分析(二)变频器（时变线性电路）非线性电路?4.1 非线性电路的基本概念?4.2 非线性元件?4.3 非线性电路的分析方法?4.4 功率放大器?4.5 模拟相乘器?4.6 变频器?时变参量线性电路?变频器的技术指标?变频器基本工作原理?变频干扰4.5 模拟相乘器?4.5.1 模拟相乘器的基本概念?模拟相乘器是完成两个模拟信号瞬时值相乘功能的 电路或器件I 00YXvv, 0Ov II 00Ov IV 00TXm vv12tanhTXm vv-5-4-3-2-1012345-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81()().coscoscos
2、+=ttttStSXXXXX5543344121232TX vv%)( 10 3TXvv1T2T1i2i0IXv3TeRYvEEVTX YvvBvAi2tanh)(+=()tSBvAvtVBvAiXY TXXm Y+=+=22costanh)()(=0 10 1 xxyxytanh=双差分对相乘器：Gilbert乘法单元?单差分对相乘器中包含非相乘项（A+BvY），而 且当输入信号vX幅度比较大时，会出现X的谐 波分量与Y的组合频率分量?利用双差分对，将单差分对中出现的非相乘项 消除，以获得理想的相乘器功能?吉尔伯特（Gilbert）乘法器单元电路，是大多数 集成模拟相乘器的核心部分?对该电路
3、进一步的改进，可以扩展两个输入信号的线性输 入范围1T2T3T4T5T6T7T8TXvYvOv1CR2CR3R2R1RCCVEEV08787,IiiTTCC=是恒流源偏置电路：7Ci8CiTY CCvvIiiTT206565tanh,=：差分对5Ci6CiTX CCCvviiiTT252121tanh,=：差分对 1Ci2CiTX CCCvviiiTT263443tanh,=：差分对3Ci4Ci311CCCiiI+=422CCCiiI+=111CCCCCRIVV=222CCCCCRIVV=()CCCCCORIIVVv2112=1CV2CV1CI2CI()()TX CCCCCCCCOvviiRi
4、iiiRv2654321tanh=+=TYTX COvv vvIRv220tanhtanh=TYTX COvv vvIRv220tanhtanh=两个输入均为小信号?实现了两个输入电压的线性相乘?输出电压中仅含有和频和差频分量YXYX TC OvKvvvvIRv=20 4()mVvvvTYX26YvXvpR1R2ROYvKvYXOvKvv =模拟相乘器在通信系统中的应用?广泛应用于通信电路系统，实现调幅， 检波和混频功能?两个余弦信号相乘，可以得到和频和差频?相乘器也可用环行二极管电路完成4.6 变频器 4.6.1 时变参量电路vgi,ig( )tvctt( )tg?若电路中仅 有一个参量 受
5、外加信号 的控制而按 一定规律变 化时，称这 种电路为参 变电路，外 加信号为控 制信号?外加控制信号是一个正弦信号 时，时变参量跨导虽然不是一个 正弦信号，但却是一个周期信号?可以用傅立叶级数展开研究时变 参量电路时变参量线性电路?如果一个弱信号加在 一个强的控制信号之 上，对于弱信号而言， 在控制信号的某一个 瞬时值，电路所呈现 的微分斜率可以认为 是常数，此时，参变 电路对于弱信号而言， 可以看成是一个参量 变化的线性电路?因为控制信号是时变信 号，因此称之为时变参 量线性电路vi( )tvt?变频器产生输入信号频率与控制信号频率的和频与差频，取其一为输出信号?输出信号频率小于输入信号频
6、率，称为下变频器（down-converter, 取差频）；输出 信号频率大于输入信号频率，称为上变频器（ up-converter, 一般取和频） 4.6.2 变频电路的技术指标?变频电路是实现信号频谱线性变换的一种电路，它完 成频谱在频率轴上的搬移?频谱结构不改变，改变的是中心载波频率?作为时变参量线性电路，在工作时，除输入小信号外， 还有一控制信号（一般是大信号）?在变频电路中，输入信号通常为一小信号，对输入小信号而 言，电路满足叠加性和均匀性，电路是线性的?控制信号通常为一单频正弦信号（或正弦信号控制的对称方 波开关信号）：变频器时变性的来源?通信系统中，习惯将控制信号称为本地振荡信号
7、，简称本振信号?如果控制信号（本振信号）是由外部输入（非电路本身产 生），则称该变频电路为混频器（Mixer）mixer理想变频器ABAB?实现频率变换，对 时域信号而言不是 混合，而是相乘()()()()ttABtBtA212121coscos2sinsin+=2121+分量不存在和21 没有谐波分量 只有和频和差频imageRFLOIFimageRF image 镜像干扰?两个输入频率（射频频率和镜像频率）都将被 变频到中频频率?镜像频率处的信号对有用信号形成干扰?镜像频率处干扰必须被滤除?镜像抑制滤波器LOIFIF和频输出差频输出IFIMRFLO+RFIMLO+()LORFIM2=+变频
8、电路的主要技术指标（1）?变频增益（大）（大）（大）?变频器输出信号功率和输入信号功率之比，通常用 dB数表示?无源混频器的变频 增益小于1，存在变 频损耗。 一般情况 下，其线性范围大， 速度快，适用频率 高，功耗低?有源混频器的变频 增益大于1，可以降 低混频以后各级噪 声对接收机总噪声 的影响 =gRFLIF pRv RvA2281 21gRLRRFvLOv变频电路的主要技术指标（2）?噪声系数（小）（小）（小）?变频器噪声系数定义为输入端（射频）信号的信噪 比与输出端（中频）信号的信噪比之比?即使变频器是无噪的，超外差接收机结构中，输出信噪比 也比输入信噪比小3dBooii nNSNS
9、F/=?变频器紧跟LNA后面，属于接收机前端，其噪声性 能对接收机影响很大超外差接收机零中频接收机OO NFSSB NFDSB 变频电路的主要技术指标（3）?变频失真（小）（小）（小）?变频功能是通过实现两信号的相乘来实现的，它不改变信 号的频谱结构。但如果变频器件的非线性特性改变了信号 频谱结构，则称之为变频失真?变频器对输入RF小信号而言是线性网络，其输出IF信号和 输入RF信号的幅度成正比。但当输入幅度逐渐增大时，与 线性放大器一样，也存在着非线性失真问题?和放大器一样，也可以用1dB功率压缩点和三阶交调IP3来衡量混 频器的线性性能?注意：混频器输入信号和输出信号的频率是不同的?1dB
10、压缩点：变频器功率输出比理想变频器功率输出少1dB时的 输入功率值?IP3：两个射频分量的三阶交调分量和本振信号混频后也位于 中频频带，对有用中频信号产生干扰。当交调分量和有用分量 相等时输入信号功率记为IIP3LO1RF2RF1IF2IF23IMD13IMDO变频电路的主要技术指标（4）?工作稳定性（高）（高）（高）?由于混频电路中的输入信号和输出信号频率 不同，因此由于输出信号反馈到输入端而产 生的电路工作不稳定的情况，在变频电路中 较少出现（和放大器不同）?变频电路的工作稳定性主要指控制信号（本 振信号）的频率稳定度，因为控制信号的频 率不稳将会引起变频器输出信号的不稳，如 输出回路失谐
11、变频电路的主要技术指标（5）高频 放大高频 放大混频 器混频 器 中频 放大中频 放大本地 振荡本地 振荡)(tvI)(if 检波器检波器 )(tv)(if)(tvL)(Lf)(tvs)(sf)(tvin)(sf如果端口间隔离度不够，其前或其后或变频器电路本 身需要修改来解决隔离度不好引起的问题?端口间隔离度（dBc）（高）高）高）?混频器各端口间的隔离不理想会产生如下 影响?本振口向射频口（输入）的泄漏会使本振大信号影响LNA 的工作，甚至通过天线辐射出去?射频口向本振口的窜通可能会影响本振的工作，如产生频 率牵引现象?本振口向中频口（输出）的窜通，本振大信号会使后级的 中频放大器过载发生堵
12、塞?射频口和中频口之间隔离不好，可能会将LNA非线性产生 的中频干扰信号不经混频，直接窜通到混频器的中频口， 干扰有用信号变频电路的主要技术指标（6）?端口阻抗（匹配）（匹配）（匹配）?三个端口的阻抗应是匹配的?射频和中频端口匹配可以保证与该端口相连接的滤波器正常工作； 本振端口的阻抗匹配可以保证混频器有效地汲取本振功率4.6.3 变频器 基本工作原理?利用器件非线性特性?将本振信号和射频信号相加混合后，做为非线性器 件的输入信号，利用非线性器件的二次非线性平方 项，获得两个信号的差频或和频?杂波多，端口隔离度也很差?利用开关（或取样）?时变线性系统?优选方案，杂波少?利用模拟相乘器?理想变频
13、方案?实际模拟相乘器噪声大，动态范围小()2222LOLORFRFLORFvvvvvv+=+()()tSvLORFscos带通 滤波器 ( )tvRF( )tvLO( )tvIF带通 滤波器 ( )tvRF( )tvLO( )tvIF带通 滤波器 ( )tvRF( )tvLO( )tvIF非线性器件 （）2 ( )( )tvtvLORF一、利用器件非线性特性实现变频 例：三极管混频器svLvifsvLvifsvLvifsv Lvif(a) (b) (c) (d) ?利用三极 管转移特 性的非线 性实现频 率变换?输入信号 和本振信 号都加在 基极和发 射极之间， 从而利用 了三极管 转移特性
14、的非线性 来实现频 率变化svLvif杂波甚多?以基极注入本振大信号，基极输入射频小信号 为例分析( )()( )( )()( )()( )() ( )( )() ( ).212+ +=+=tvtvVftvtvVftvVftvtvVfvftisLBBsLBBLBBsLBBBEC?输出电流中将包括直流项，本振直通项，射频 直通项，以及射频频率和本振频率的谐波分量 及其组合频率分量；而且当射频输入为频带信 号时，信号频带内的信号之间会产生交调失真( )()( )( )()( )()( )() ( )( )() ( )( )( ) ( )tvtgtItvtvVftvtvVftvVftvtvVfvft
15、iscsLBBsLBBLBBsLBBBEC+ +=+=.212跨导?如果控制信号（本振信号）为一单频正弦波， 则其时变跨导是周期函数( )( )()tngtgtggtvVftgL nnLLLBBcos2coscos0210=+=+=L( )( )( ) ( )()()=+= +=+0000coscos2cos coscoscosnsLsLnsmnLCnssm nLn nLCnsCCtntngVtnItVtngtnItvtgtItiMOSFET变频电路?理想变频器要求变频跨导中只含有g1cosLt项?要求gv为一直线，iv为一平方曲线?工作在饱和区的MOSFET具有这种特性?MOSFET变频电路的杂波较二极管和双极型晶体管少很多()()2 )(thGSGSGSDvvkvfi=( )() ()tggtkvvVktVVftgLLLmthGSBIASLLMBIAScos cos22 cos10)( +=+=+=L C DDVIFvRFvLOvBIASVsvD LRLv二、开关型变频电路()tSLO1?没有本振频率的偶次谐波 分量及其组合频率分量?含有射频信号的直通项().5cos523cos32cos2 210cos 00cos 11+=ttttttSLLLLL L(
