变频电路解读课件

第九章第九章 变频电路变频电路 第一节第一节 概述概述第二节第二节 晶体三极管混频晶体三极管混频第三节第三节 场效应管混频器场效应管混频器第四节第四节 二极管混频器二极管混频器第五节第五节 模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器第六节第六节 混频器的干扰与失真混频器的干扰与失真 主要内容主要内容：第九章 变频电路 第一节 概述 主要内容：1第一节 概述 一、变频电路的功能一、变频电路的功能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。、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。2、变频电路功能的时域表示法和频域表示法。、变频电路功能的时域表示法和频域表示法。变频电路的主要应用之一是用于超外差接收机中，将高频载频变换成固定中频载频信号，然后通过高性能的中频放大器进行放大，使整个接收机灵敏度和选择性大大提高。下图是以输入普通调幅波 为例表示的输入输出波形以及输入输出的频谱。时域表示法时域表示法频域表示法频域表示法第一节 概述 一、变频电路的功能 变频电路2 二、变频器的组成二、变频器的组成1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成非线性器件用于频率变换。常用的非线性器件有晶体三极管、二极管、场效应管、差分对管和模拟乘法器等。输入信号 与本振信号 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，称其为中频频率中频频率。若带通滤波器取 称高中频高中频。若带通滤波器取 称低中频低中频。混频器混频器二、变频器的组成二、变频器的组成1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成 二、变频器的组成非线性器件用于频率变换。常用的非线性器3 三、变频器的技术指标三、变频器的技术指标1 1、变频增益变频增益变频电压增益 ,变频功率增益 ,2、选择性，（通常用矩形系数表示）、选择性，（通常用矩形系数表示）3、噪声系数、噪声系数 4、失直与干扰、失直与干扰 三、变频器的技术指标变频电压增益 ,变频功率4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一、晶体三极管混频器的工作原理 1、下图、下图 是晶体三极管混频器的原理电路是晶体三极管混频器的原理电路。其中 为直流偏置电压，为输入信号，为本振信号。集电极回路调谐于中频 。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 5 2 2、工作原理、工作原理一个大信号和一个小信号 同时作用于非线性元件输入信号：为小信号；本振信号：为大信号即 晶体三级管的发射结加有三个电压 和 ，晶体三极管 工作于非线性状态。而对于 来说，由于 很小，可以认为是在 的作用下，晶体管的工作点在变化。在每一个工作点，对 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时变参量。2、工作原理一个大信号和一个小信号6 3 3、晶体三极管混频器的时变参量分析、晶体三极管混频器的时变参量分析混频器的时变参量表示式混频器的时变参量表示式晶体三极管的 ，正向传输特性为 因为 的值很小，在 的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可以将函数 在时变偏压 上展开成泰勒级数，则 对于小信号 ，其高阶导数很小，可近似为 式中，为 时集电极电流；为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，和g均随 变化呈非线性，则 式中，分别为 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。3、晶体三极管混频器的时变参量分析晶体三极管的 7 输入输入 后产生的混频电流后产生的混频电流 在输入信号 作用下，集电极电流为 通过带通滤波器取出中频通过带通滤波器取出中频 若中频频率取差频 ，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为 其振幅为 。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅 成正比。若输入信号为调幅波，则输出中频电流为 输入 后产生的混频电流 在输入信号 8 混频器的变频跨导混频器的变频跨导 变频跨导是输出中频电流振幅 与输入高频信号振幅 之比，即 在数值上变频跨导是时变跨导 的基波分量的一半，可以通过 的基波分量 来求变频跨导定义:混频器的变频跨导 变频跨导是输出中频电流振幅 9 二、晶体三极管混频器的等效电路二、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 为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路。可用上图所示电路等效。输入回路调谐于 ，输出回路调谐于 ，等效电路各参量可根据定义和混合 等效电路求出。二、晶体三极管混频器的等效电路 由于本振电压为大信号10变频电压增益变频功率增益 当 相等时，输出回路匹配，变频功率增益最大。变频电压增益变频功率增益 当 11 三、具体电路和工作状态的选择三、具体电路和工作状态的选择 1 1、晶体三极管混频器的四种组态、晶体三极管混频器的四种组态 根据输入信号 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 三、具体电路和工作状态的选择 1、晶体三极管混频器的四12图（图（a）对 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 是基极注入，输入电阻大，易于起振。但两者相互影响大，可能产生频率牵引。图（图（b）对 信号 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 是射极注入，输入电阻小，本振负载较重，起振困难，但两者相互影响小，不会产生频率牵引现象。图（图（c）、（）、（d）为共基组态，输入 阻抗小，变频电压增益小，高频特性好，上限频率高。频率 较低 时不用。上图说明图（a）对 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 13 2 2、工作状态的选择、工作状态的选择变频功率增益 和噪声系数 的关系的实验结果如图 所示。在100mV左右，在0.30.7mA为宜。2、工作状态的选择变频功率增益 和噪声系数 14 3 3、具体电路、具体电路 收音机变频电路收音机变频电路 3、具体电路 收音机变频电路15电视机变频电路电视机变频电路电视机变频电路16第三节 场效应管混频器 结型场效应管混频电路结型场效应管混频电路1 1、结型场效应管混频电路如图所示、结型场效应管混频电路如图所示 一、结型场效应管混频器一、结型场效应管混频器2 2、结型场效应管在饱和区漏极电、结型场效应管在饱和区漏极电流流 与栅源电压与栅源电压 的关系的关系 式中，时的 为夹断电压。第三节 场效应管混频器 结型场效应管混频电路1、结型场17 3 3、混频原理、混频原理设输入信号 ，本振信号 。则 式中 为场效应管静态工作点的 值。可得 可知，中含有直流 等频率分量，其中 为高中频和低中频分量。若选用低中频的带通滤波器，则 式中，为变频跨导，其值为 。若中频带通滤波器中心频率为 ，且谐振电阻为 ，则混频器输出电压为 对于 ，则 3、混频原理设输入信号 18 二、双栅绝缘栅场效应管混频器二、双栅绝缘栅场效应管混频器 1 1、原理电路如图所示、原理电路如图所示 双栅场效应管混频电路双栅场效应管混频电路 二、双栅绝缘栅场效应管混频器 1、原理电路如图所示 19 2 2、双栅场效应管的特点及特性的表示式、双栅场效应管的特点及特性的表示式双栅绝缘栅场效应管具有栅漏极间电容很小，正向传输导纳较大，且受到双重控制，很适合于作为超高频段混频器。双栅绝缘栅场效应等，在放大区 式中，。其中 是由直流偏置及管子本身所决定的常数。则 3、混频原理、混频原理 在输入信号 ，本振信号 时，漏极电流中含有直流 等频率分量。经带通滤波器可取出中频电流 输出中频电压为 2、双栅场效应管的特点及特性的表示式双栅绝缘栅场效应20第四节 二极管混频电路 一、二极管平衡混频器一、二极管平衡混频器 1 1、原理电路如图所示、原理电路如图所示 第四节 二极管混频电路 一、二极管平衡混频器 1、原理电路21 2 2、电路特点、电路特点 本振电压 足够大，晶体二极管工作在受 控制的开关状态。输入回路的次级调谐于 ；输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。3 3、混频原理分析、混频原理分析开关工作状态下，流过二极管 的电流 在无带通滤波的条件下，流过输出回路的电流为 设 ，则 2、电路特点 本振电压 足够大，晶体二极管工作22 当输出回路调谐于 时，则输出中频电流为是由 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。当输入回路调谐于 时，流过输入回路初级的电流是 是由 在输入回路中产生输入电流和 经反向混频产生输入电流之差。当输出回路调谐于 时，则234 4、混频器的等效电路、混频器的等效电路 等效电路 由 的关系式得出，其中 ，。4、混频器的等效电路由 的关系式得出，其24 混频器工作于全匹配的条件由于混频器等效电路是对称的 型双口网络，其特性电导 的定义是在输出端接入 时，从输入端看输入电导为 。同样，当在输入端接入 时，从输出端向里看的输出电导为 。因而 。全匹配条件 ，此时能获得最大的功率传输。全匹配条件下的变频功率增益 混频器工作于全匹配的条件全匹配条件 25 三、二极管环形混频器三、二极管环形混频器1 1、原理电路如图、原理电路如图 所示所示 环形混频器环形混频器 三、二极管环形混频器 环形混频器 26 本振电压 足够大，使 处于开关工作状态。本振电压正半周，导通，截止，其开关函数为 。本振电压负半周，截止，导通，其开关函数为 。输入回路的次级调谐于 ，输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。2 2、原理分析、原理分析*在本振信号正半周，组成平衡混频器*在本振信号负半周，组成平衡混频器*无带通滤波条件下，输出电流 本振电压 足够大，使 27 *有带通滤波器时，选出中频电流*无带通滤波条件下，输入电流*有带通滤波器时，选出输入电流3 3、结论、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输入电流都增大二倍。同时在输出电流中进一步抵消了 等分量。等分量。*有带通滤波器时，选出中频电流*无带通滤波条件下28第五节 模拟乘法器混频器 MC1596构成混频器 第五节 模拟乘法器混频器 MC1596构成混频29外来输入信号 加到1端。输入信号 约为1.5mV，本振电压 约为100mV。21354本振信号 加到8端，7端 交流接地。6、9端分别接100 电感到电源 ，对于工作频率 等效为 电阻。混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz。外来输入信号 30第六节 混频器的干扰与失真 一、信号与本振的组合频率干扰（干扰哨声）一、信号与本振的组合频率干扰（干扰哨声）1、信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率、信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率 若非线性特性为 ，而 ，则会产生 直流 的频率分量是混频时，必须要有的项，因低中频，高中频 。故非线性特性中必须有 的乘积项。而带通滤波器应根据需要滤除其中的 个中频，例如选低中频应滤除 ，选高中频应滤除 。非线性特性的三次方及其以上项会产生很多组合频率（式中：，p、q为正整数或零。）第六节 混频器的干扰与失真 一、信号与本振的组合频率干扰312、信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件、信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件 1当满足 时，这个组合频率将会与正常的 一道通过中频带通滤波 经中频放大器放大后送给检波器。2由于 差频不大为音频，则 送给检波器会产生差拍检波，产生音频实现 干扰常称干扰哨声。3举例：超外差接收机的中频频率 ，当某电台发射载频 时 正常的变频过程是 。但是由于非线性特性有三次方项，则 。二者都可以通过中频带通滤波进行中频放大，然后 经检波器会产生1kHz的差拍检波在终端扬声器产生干扰哨声。3、产生这样干扰的原因、产生这样干扰的原因非线性特性有三次方及以上项。4、减小这种干扰的方法、减小这种干扰的方法 选取理想二次方特性的场效应管或模拟乘法器作混频器；采用二极管开关平衡混频方式；对晶体三极管混频器的本振信号选为大信号，也能减小干扰。2311232、信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件 1当满足 32二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰）二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰）1、在混频器的输入回路选择性不好的条件下，除正常输入信号 外，还有些其它频率的强干扰信号通过输入回路进入混频器，统称为外来干扰信号外来干扰信号。外来干扰频率通过非线性器件产生 组合频率 。2、在接收某一给定信号频率 时，接收机会产生一个本振频率 ，若取低中频 ，则 ，由于输入回路选择性不好会有强干扰信号进入混频器，其频率 与本振 的组合频率 。只有 和 有可能通过 的中频带通滤波器，若满足 或 会产生干扰，称为副波道干扰副波道干扰。3、中频干扰、中频干扰当 时，称为中频干扰。产生原因 输入回路选择性不好，的强干扰信号进入混频器通过非线性特性的一次方 项，相当于放大由中频选频回路输出，产生中频干扰。减小中频干扰的方法 提高输入回路的选择性，还可在混频器输入端增加一个中频LC串联陷波电路减小中频干扰。二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰）1、在混频器的334、镜象频率干扰、镜象频率干扰 当 时，为正常接收。而 称为镜象频率干扰。产生原因输入回路选择性不好，的镜象频率干扰。减小镜象频率干扰的方法提高输入回路的选择性，选用高中频可减小镜象频率干扰。5、副波道干扰、副波道干扰 当 且满足 ，称为副波道干扰。产生原因输入回路选择性不好，在正常接收信号频率 时有一对应的 ，有一强干扰频率 进入混频器与本振 混频，由于三次方及以上项产生的 或 ，则会通过中频带通滤波器输出，产生副波道干扰。减小副波道干扰的方法提高输入回路的选择性，减小非线性特性的三次方及以上项产生的组合频率，采用二极管平衡混频、模拟乘法器混频或具有理想平方律特性的场效应管混频器。4、镜象频率干扰减小镜象频率干扰的方法5、副波道干扰 当34三、交叉调制干扰三、交叉调制干扰 1、在输入回路的选择性不好的条件下，在接收正常调幅信号的同时也有另一干扰调幅信号进入混频器。在非线性特性有四次方及以上项时，就会产生交叉调制。其特征是，当接收的正常信号存在时有干扰，而接收的正常信号消失时，干扰也消失。2、交叉调制产生的原理交叉调制产生的原理设三极管混频器的非线性特性为 作用在输入端的电压有 信号电压信号电压 干扰电压干扰电压 本振电压本振电压 代入非线性特性表示式中，其中 中的四阶产物中的 项中的 项就是交调产物。说明传送的除正常信息 外，还有干扰信息 及其谐波 。交叉调制干扰实质上是通过非线性作用将干扰信号的包络解调出来，而后调制到中频载频上去。没有正常信号干扰也就不存在。三、交叉调制干扰 1、在输入回路的选择性不好的条件下，在接收353、交叉调制干扰产生的原因、交叉调制干扰产生的原因输入回路选择性不好，有调幅的强干扰信号输入，在非线性特性的四次方及以上项。4、减小交叉调制干扰的方法、减小交叉调制干扰的方法提高输入回路的选择性，减小非线性特性的四次方及以上项产生的组合频率，采用二极管平衡混频、模拟乘法器混频或场效应管混频。四、互调干扰四、互调干扰 1、在输入回路的选择性不好的条件下，在接收正常输入信号的同时，有两个或多个强干扰信号进入混频器。在非线性特性有三次方及以上项时，就会产生互调干扰。2、互调干扰产生的原理、互调干扰产生的原理设非线性特性有三次方项，其输入端作用电压有信号电压信号电压 干扰电压干扰电压 本振电压本振电压 输入合成电压 ，对于 项中含有 ，则只要满足 就会产生互调干扰。3、交叉调制干扰产生的原因4、减小交叉调制干扰的方法四、互调36例如例如 其中 通过带通滤波器产生互调干扰。产生互调干扰的频率条件 3、互调干扰产生的原因、互调干扰产生的原因输入回路选择性不好，有两个或多个强干扰信号进入混频器，非线性特性有三次方及以上项。4、减小互调干扰的方法、减小互调干扰的方法提高输入回路的选择性，减小非线性特性三次方及以上项产生的组合频率，采用二极管平衡混频、模拟乘法器混频或场效应管混频。例如 其中 37五、包络失真与强信号阻塞五、包络失真与强信号阻塞 1、包络失真、包络失真是由于混频器的非线性，使输入调幅波经混频输出包络中出现新的调制分量，即输出包络与输入包络不成正比。2、包络失真产生的原理、包络失真产生的原理 设 ，在 项中会有 ，则其中前一项含有中频 项。经中频带通取出的中频项除二次方项产生的正常中频外还附加四次方项产生的中频项。正常中频项的包络只含 ，而附加中频项会有 项引起包络失真。即由非线性四次方项产生。3、强信号阻塞、强信号阻塞是指强干扰信号与有回信号同时进入混频器时，强干扰信号会使混频器的工作点进入饱和区，而输出的有用信号振幅要减小，严重时，甚至小到无法接收，称其为阻塞干扰。同样，有用信号 为强信号也会产生阻塞。五、包络失真与强信号阻塞 1、包络失真是由于混频器的非线性，38接收系统接收系统接收系统39