无线电通信-42-变频器的工作原理及各种混频器电路分析课件

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变换为固定变换为固定fi的的过程称为变频或混频。过程称为变频或混频。（以调幅为例（以调幅为例 ）在接收机中，在接收机中，fi称为中频。一般其值为称为中频。一般其值为其中其中fo是本地振荡频率。是本地振荡频率。超外差式接收机超外差式接收机 1.1.定义定义 其中，其中，fi大于大于fs的混频称为的混频称为上混频上混频，fi小于小于fs的混频称为的混频称为下混频下混频。4.5 变频器的工作原理变频器的工作原理在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的1举例举例 经过混频器变频后，输出频率为经过混频器变频后，输出频率为 混频的结果：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。状不变。4.5 变频器的工作原理变频器的工作原理举例经过混频器变频后，输出频率为2混频器混频器波波形形描描述述相对幅度f中频调幅波中频调幅波高频调幅波高频调幅波本振信号本振信号频谱搬移频谱搬移频频谱谱描描述述0f混频器波形描述相对幅度f中频调幅波高频调幅波本振信号频32 2、为什么、为什么要要变频或混频？变频或混频？变频变频的优点的优点：减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射；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；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。错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。变频变频的缺点：的缺点：容易容易产生镜像干扰、中频干扰等产生镜像干扰、中频干扰等干扰。干扰。2、为什么要变频或混频？43 3、变频器变频器的分类的分类按器件分按器件分：晶体管混频器：具有一定晶体管混频器：具有一定的混频的混频增益；增益；二二极极管管混频器混频器：具有：具有动态范围动态范围大，噪声小；大，噪声小；场效应管混频器：交调、互调干扰场效应管混频器：交调、互调干扰少。少。按按结构结构分分：单管混频、：单管混频、平衡式混频、平衡式混频、环型环型混频混频按按中频中频分：上变频器（和频）、下变频器（差频）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从两个输入信号在时域上的处理过程分：过程分：叠加型混频器、叠加型混频器、乘积型混频器乘积型混频器3、变频器的分类按器件分：按结构分：单管混频、平衡式混频、环54 4、主要性能指标、主要性能指标（4.5.24.5.2）或或（4.5.34.5.3）噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值比的比值。选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力。非线性非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。扰等干扰的能力。相互关联，综合考虑，合理选管相互关联，综合考虑，合理选管4、主要性能指标（4.5.2）或（4.5.3）噪声系6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）第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器混频器的种类晶体三极管混频器（4.6）第五章非线性电路分7图图图图 4.6.1 4.6.1 晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态1.1.电路组态电路组态4.6 晶体管的混频器晶体管的混频器图4.6.1晶体管混频器的电路组态1.电路组态4.8对对振荡电压来说是振荡电压来说是共射电共射电路路，输出阻抗，输出阻抗较大（较大（对谐对谐振回路影响小振回路影响小）；）；信号输入电路与振荡电路相互影响较大信号输入电路与振荡电路相互影响较大(直接耦合直接耦合)，可能产生，可能产生频率牵引频率牵引现象。现象。混频时所需本地振荡注入功混频时所需本地振荡注入功率较小（这率较小（这主要因为主要因为共发电共发电路功率放大性能较高）；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指本振v0频率随频率随vs频率改变而改变，而非自助振荡。频率改变而改变，而非自助振荡。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）；9输输入入信信号号与与本本振振电电压压分分别别从从基基极极输输入入和和发发射射极极注注入入，产产生生牵牵引引现现象象的的可可能性能性小；小；对对于于本本振振电电压压来来说说是是共共基基电电路路，其其输输入入阻阻抗抗较较小小，不不易易过过激激励励，因因此此振荡波形好，失真振荡波形好，失真小；小；需要较大的本振注入需要较大的本振注入功率。功率。但但这一点不难这一点不难实现，通常所需功率也只有几十实现，通常所需功率也只有几十毫瓦，因此毫瓦，因此这种方式的混频器在实际中应用最多。这种方式的混频器在实际中应用最多。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1011三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 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器三极管几种组态的总结高频（尤其是上100MHz）时，应当采用122 2、晶体管混频原理：变跨导分析、晶体管混频原理：变跨导分析法法晶体管混频器基本电路晶体管混频器基本电路2、晶体管混频原理：变跨导分析法晶体管混频器基本电路13晶体管晶体管转移特性曲线转移特性曲线iC=f(VBB+v0 0)+f(VBB+v0 0)vs s已知振荡电压已知振荡电压 v0 0=V0mcos0t时变电导时变电导晶体管转移特性曲线iC=f(VBB+v0)14（4.6.1a4.6.1a）（4.6.1a）15则混频后输出的则混频后输出的中频电流中频电流为为:其振幅为其振幅为:（4.6.24.6.2）（4.6.34.6.3）（4.6.44.6.4）则混频后输出的中频电流为:其振幅为:（4.6.2）（416（4.6.64.6.6）式中式中:（4.6.54.6.5）（4.6.84.6.8）了解即可了解即可（4.6.6）式中:（4.6.5）（4.6.8）了173.3.实际实际电路电路举例：举例：图图图图 4.6.5 4.6.5 某调幅通信机混频器电路某调幅通信机混频器电路某调幅通信机混频器电路某调幅通信机混频器电路 调谐于调谐于i调谐于调谐于s3.实际电路举例：图4.6.5某调幅通信机混频器电18图图图图 4.6.6 4.6.6 自激式变频器电路自激式变频器电路自激式变频器电路自激式变频器电路 调谐于调谐于i调谐于调谐于s调谐于调谐于0图4.6.6自激式变频器电路调谐于i调谐194.4.混频特点混频特点优点：有变频增益优点：有变频增益 缺点：缺点：1）动态范围较小）动态范围较小 2）组合频率干扰严重）组合频率干扰严重 3）噪声较大）噪声较大 4）存在本地辐射）存在本地辐射4.6 晶体管的混频器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。4.混频特点优点：有变频增益缺点：1）动态范围较小204.4.二极管组成的混频器的特点二极管组成的混频器的特点缺点：变频增益小于缺点：变频增益小于1 优点：优点：1）组合频率少组合频率少 2）动态范围大动态范围大 3）噪声小）噪声小 4）本振电压无辐射）本振电压无辐射4.7 二极管混频器二极管混频器二极管平衡混频器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4.二极管组成的混频器的特点缺点：变频增益小于1优点：1214.7 二极管混频器二极管混频器4.7.1 4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器4.7.2 4.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器 （双平衡混频器）（双平衡混频器）4.7二极管混频器4.7.1二极管平衡混频器图图图图 4.7.1 4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器如果如果如果如果V V0m0m V Vsm sm,D D1 1和和和和D D2 2工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器图4.7.1二极管平衡混频器如果V0mVsm23图图图图 4.7.1 4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器图4.7.1二极管平衡混频器4.7.1二极管平衡244.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器比比晶体（晶体（三极三极）管混频器产生的频率成分少的很多）管混频器产生的频率成分少的很多 无直无直流流分量分量4.7.1二极管平衡混频器比晶体（三极）管混25图图图图 4.7.2 4.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器4.7.2 二极管环形二极管环形混频器双平衡混频器混频器双平衡混频器为了进一步为了进一步抑制非线性抑制非线性产物，采用环形产物，采用环形混频器：混频器：图4.7.2二极管环形混频器4.7.2二极管环形26图图图图 4.7.3 4.7.3 在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器4.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器图4.7.3在本振电压正半周的环形混频器4.7.227图图图图 4.7.4 4.7.4 在本振电压负半周的环形混频器在本振电压负半周的环形混频器在本振电压负半周的环形混频器在本振电压负半周的环形混频器4.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器（4.7.64.7.6）（4.7.84.7.8）图4.7.4在本振电压负半周的环形混频器4.7.2284.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器4.7.2二极管环形混频器29故有：故有：（4.7.94.7.9）展开展开：（4.7.114.7.11）故有：（4.7.9）展开：（4.7.11）30晶体（三极）管混频器：（有源混频器）晶体（三极）管混频器：（有源混频器）优点优点：有变频增益：有变频增益缺点：缺点：1、动态范围较小、动态范围较小 2、组合频率干扰严重、组合频率干扰严重 3、噪声较大、噪声较大 4、存在本地辐射、存在本地辐射二极管二极管混频器：（无源混频器）混频器：（无源混频器）优点：优点：1、动态范围、动态范围较大较大 2、组合、组合频率干扰少频率干扰少 3、噪声较小、噪声较小 4、不存在本地辐射、不存在本地辐射缺点缺点：无变频增益：无变频增益晶体（三极）管混频器：（有源混频器）二极管混频器：（无源混频31 目目前前，许许多多从从短短波波到到微微波波波波段段的的整整体体封封装装二二极极管管环环形形混混频频器器已已作作为为系系列列产产品品，一一个个用用于于0.5500MHz0.5500MHz的的典典型环形混频器的外形及电路示于下图。型环形混频器的外形及电路示于下图。使使用用时时，8 8、9 9端端外外接接信信号号电电压压，3 3、4 4端端相相连连，5 5、6 6端端相相连连，然然后后在在3 3，5 5端端间间加加本本振振电电压压，中中频频信信号号由由1 1，2 2端端输输出出。此此电电路路除除用用作作混混频频器器外外，还还可可以以用用作作相相位位检波器、调制器等。检波器、调制器等。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32模拟乘法器混频原理只有和频、差频分量，只有和频、差频分量，“垃圾垃圾”分量最少分量最少4.8 差分对模拟乘法器混频电路差分对模拟乘法器混频电路模拟乘法器混频原理只有和频、差频分量，“垃圾”分量最少4.833图图图图 4.8.1 4.8.1 差分对混频器差分对混频器差分对混频器差分对混频器图4.8.1差分对混频器34图图图图 4.8.2 4.8.2 模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器4.8 差分对模拟乘法器混频电路差分对模拟乘法器混频电路图4.8.2模拟乘法器混频器4.8差分对模拟乘法35C2C236结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理C7C6结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理C7C637结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理C7C6结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理C7C638结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理39结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理40结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理至T8至T9C3C4结合教材P158图4.8.2理解乘法器原理至T8至T9C3C41模拟乘法器混频器的优缺点优点：频率分量最“干净”（无用频率分量少）缺点：输入信号只能是mv级模拟乘法器混频器的优缺点优点：42差分对模拟乘法器混频电路实用电路信号电压由端子信号电压由端子输入输入最大值约最大值约15mV本振电压由端子本振电压由端子输入输入振幅约振幅约100mV相乘后的信号由第相乘后的信号由第端子输出经带通滤波后，即可获得中频信号输出。端子输出经带通滤波后，即可获得中频信号输出。差分对模拟乘法器混频电路实用电路信号电压由端子输入本振电压43作业：作业：4-17 4-29作业：44