混频电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.3,混频电路,地位：,超外差接收机的重要组成部分。,作用：,将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频信号。,重要性：,靠近天线，直接影响接收音机的性能。,种类：,(1),一般接收机中：,三极管混频器。,(2),高质量通信接收机：,二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。,4.3.1,通信接收机中的混频电路,一、主要性能指标,1,混频增益,定义：,混频器的输出中频信号电压,V,i,（,或功率,P,I,）,对输入信号电压,V,s,（,或功率,P,S,）,的比值，用分贝表示,(,与混频损耗,L,c,类似,),或,2,噪声系数,定义：,输入信号噪声功率比,(,P,S,/,P,n,),i,对输出中频信号噪声功率比,(,P,I,/,P,n,),o,的比值，即,接收机的噪声系数,主要取决于它的,前端电路,，若无高频放大器，主要由,混频电路,决定,。,31,dB,压缩电平,当输入信号功率较小时，输出中频功率随输入信号功率线性地增大，混频增益为,定值,；,以后由于非线性，输出功率的增大趋于缓慢。,定义：,比线性增长低,1,dB,时所对应的输出中频功率电平，用,P,I1dB,表示。,dBm,：高于1,mW,的分贝数，,P,(,dBm,)=10lg,P,(,mW,),。,意义：,P,I1dB,所对应的输入信号功率,P,S,是混频器动态范围的上限电平。,4,混频失真,在接收机中，加在混频器输入端的除了有用输入信号外，还往往存在着多个干扰信号。,由于非线性，混频器件输出电流中将包含众多组合频率分量，其中，可能有某些组合频率分量的频率十分靠近中频，中频滤波器无法将它们滤除。,它们叠加在有用中频信号上，引起失真，称,混频失真,，它将严重影响通信质量。,5,隔离度,理论上，混频器各端口之间相互隔离，任一端口上,的功率不会窜到其它端口上。,实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。,定义：,本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比,(,用分贝表示,),。,意义：,用来评价窜通大小的性能指标。,危害：,在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通危害最大。为保证混频性能，加在本振端口的本振功率都比较大，当它窜通到输入信号端口时，就会通过输入信号回路回到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。,二、二极管环形混频器和双差分对混频器,高性能通信接收机混频器种类：,二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。,1,二极管环形混频器,已形成完整的系列，常用的是,L,evel,7、,L,evel,17、,L,evel,23,三种系列，它们所需的本振功率分别为,7,dBm,(5mW),，,17dBm(50mW),，,23dBm(200mW),(,用保证二极管开关工作所需本振功率电平的高低进行分类)。显然，本振功率电平越高，相应的,1,dB,压缩电平也就越高，混频器的动态范围就越大。对于上述三种,系列，,1,dB,压缩电压所对应的最大输入信号功率分别为,1,dBm,(1.25mW),，,10dBm(10mW),，,15dBm(32mW),。,优点：,工作频带宽、噪声系数低、混频失真小、动态范围大。应用广泛。,缺点：,没有混频增益、端口间的隔离度较低。,实际二极管环形混频器各端口的匹配阻抗均为,50,。应用时，各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源，本振信号源，输出负载间的阻抗匹配。,2,双差分对平衡混频器,继,XFC1596,后，已出现多种双差分对平衡调制器产品，其中,AD831,的工作频率可达,500,MHz,以上，它由,双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器和本振驱动,组成,(,p205),。,特点：,混频增益高，输入端只需电压激励，一般不需匹配网络，使用方便。同时，,AD831,中设有本振驱动放大器，为保证开关工作而所需的本振功率很小，且端口间隔离度很高。不必考虑天线反向辐射的问题。,缺点：,噪声系数较大，动态范围小。,4.3.2,三极管混频电路,一、作用原理,1,原理电路,L,1,C,1,输入信号回路，调谐在,f,c,L,2,C,2,输出中频回路，调谐在,f,I,本振电压,v,L,=,V,Lm,cos,L,t,接在基极回路中，,V,BBO,为,基极静态偏置电压,。,v,BE,=,V,BBO,+,v,L,+,v,S,2,工作原理,将,V,BB0,+,v,L,作为,三极管的等效基极偏置电压,，用,v,BB,(,t,),表示，称为,时变基极偏置电压,，则当输入信号电压,v,S,=,V,sm,cos,c,t,很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流为,i,C,f,(,v,BE,),I,C0,(,v,L,)+,g,m,(,v,L,),v,S,在时变偏压作用下，,g,m,(,v,L,),的,傅氏级数展开式,为：,g,m,(,v,L,),=,g,m,(,t,)=,g,0,+,g,m1,cos,L,t,+,g,m2,cos,2,L,t,+,g,m,(,t,),中的基波分量,g,ml,cos,L,t,与输入信号电压,v,S,相乘,g,ml,cos,L,t,V,sm,cos,c,t=,令,I,=,L,-,c,，,得中频电流分量为,i,I,=,I,Im,cos,I,t,=,其中,g,mc,=,I,Im,/,V,sm,=,g,m1,称为,混频跨导,，定义为输出中频电流幅值,I,Im,对,输入信号电压幅值,V,sm,之比，其值等于,g,m,(,t,),中基波分量幅度,g,m1,的一半。,=,g,ml,V,sm,cos,(,L,-,c,),t,+,cos,(,L,+,c,),t,若设中频回路的谐振电阻为,R,e,，,则所需的中频输出电压,v,I,=,-,i,I,R,e,，,相应的,混频增益,为,A,C,=,=,-,g,mc,R,e,3,小结,(1),在满足线性时变条件下，三极管混频电路的,混频增益,与,混频跨导,g,mc,成,正比。而,g,mc,又,与,V,Lm,和,静态偏置有关。,(2),三极管的转移特性曲性,(,i,C,v,BE,),，,它的各点斜率的连线即为跨导特性,g,m,(,v,BE,),。在,v,BE,=,V,BB,(,t,),的作用下，便可画出,g,m,(,t,),波形。由图可见，当,V,BB0,一定，,V,Lm,由小增大,时，,g,m1,即,g,mc,也相应地由小增大，直到,g,m,(,t,),趋近方波时，相应的,g,mc,便,达到最大值。,实际上，三极管混频电路中，一般均采用分压式偏置电路，因而，当,V,Lm,增大到一定值后，由于特性的非,线性，产生自给偏置效应，基极偏置电压将自静态值,V,BB0,向截止方向移动，因而相应的,g,mc,也就比上述恒定偏置时小，结果使,g,mc,随,V,Lm,的,变化如图实线所示。可见，相应于某一,V,Lm,值，,g,mc,和相应的混频增益达到最大值。,实验指出，在中波广播收音机中，这个最佳的,V,Lm,约,为,(20,200),mV,。,反之，当,V,Lm,一定时，改变,V,BB0,(,或,I,EQ,),时，,g,mc,也会相应变化。实验指出，,I,EQ,在,(0.2,1),mA,时，,g,mc,近似不变，并接近最大值。,二、电路,1,本机振荡器,电感三点式电路。产生的本机振荡电压通过耦合线圈,L,e,加到,T,1,管的发射极上。,天线上感生的信号电压通过耦合线圈,L,a,加到输入信号回路，再通过耦合线圈,L,b,加到,T,1,管的基极上。,在实际电路中，,L,a,和,L,b,的取值较小，这样对输入信号频率而言，本振回路严重失谐，它在,L,e,两端呈现,的阻抗很小，可看成短路；,同理,，对本振频率而言，输入信号回路严重失谐，它在,L,b,两端呈现的阻抗很小，也可成短路。因而保证了输入信号电压和本振电压都有良好的通路，能有效地加到,T,1,管发射结上，同时有效地克服了本振电压经输入信号回路泄漏到天线上，产生反向辐射。,4.3.3,混频失真,由于混频器件特性的非线性，混频器将产生各种干扰和失真(,干扰哨声、寄生通道干扰、交叉调制失真、互相调制失真等,)，现以接收机为对象讨论其成因和危害。,一、干扰哨声和寄生通道干扰,1,干扰哨声,混频器输入有用信号时，混频器件输出电流将出现众多组频率分量：,f,p,q,=,这种情况犹如混频器中存在着无数个变换通道，其中只有一个变换通道,(,p,=,q,=1),是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的中频，而其余大量的变换通道都是无用的，甚至有的还十分有害。例如对应于某一对,p,和,q,值的,f,p,q,(,除,p,=,q,=1,以外,),，若其值十分接近于中频，,即,=,f,1,F,(4-3-5),(,F,为可听的音频频率)则在混频器中，输入信号除了通过,(,p,=,q,=1),有用通道变换为中频信号以外，还可通过,p,和,q,满足上式的那些通道变换为接近于中频的寄生信号。它们都将顺利地通过中频放大器。这样，收听者就会在听到有用信号声音的同时，还听到由检波器检出的差拍信号,(,频率为,F,),所形成的哨叫声，故称这种干扰为,混频器的干扰哨声,。,由,满足干扰哨声的频率关系式,(4-3-5),可见，它可分解为,四个关系式：,qf,c,-,pf,L,=,f,I,F,pf,L,-,qf,c,=,f,I,F,pf,L,+,qf,c,=,f,I,F,-,pf,L,-,qf,c,=,f,I,F,若令,f,L,-,f,c,=,f,I,，,因,pf,L,+,qf,c,恒,大于,f,I,，,-,pf,L,-,qf,c,是无意义的负频率，则只有前两式有可能成立，后两式是无效的。,将前两式合并，便可得到产生干扰哨声的输入,有用信号频率,为：,一般情况下，,f,I,F,，,上式可简化为,讨论：,(1),上式表明,，若,p,和,q,取不同的正整数，则会产生干扰哨声的输入有用信号频率有无限多个，并且其值均接近于,f,I,的,整数倍或分数倍。,(2),减小干扰哨声的办法,实际上，任何一部接收机的接收频段是有限的（,例如,中波段广播收音机的接收频段为,535,1605,kHz,）。,因此，其中只有落在接受频段内的才会产生干扰哨声。另外，由于组合频率分量电流的振幅随,(,p,+,q,),的增加而迅速减小，因而，其中只有对应于,p,和,q,为较小值的输入有用信号才会产生明显的干扰哨声，而对于,p,和,q,为较大值产生的干扰哨声一般可以忽略,。,可见，只要将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段以外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。,例如,，由 可知，对应于,p,=0，,q,=,1,的干扰哨声最强，相应输入信号频率接近于中频，即,f,c,f,I,，,因此，为了避免这个最强的干扰哨声，接收机的中频总是选在接收频段以外。例如，上述中频接收机，,f,I,规定为,465,kHz,。,2.,寄生通道干扰,当接收机接收频率为,f,c,的信号时，本振频率应为,f,L,，,且,f,L,-,f,c,=,f,I,。,这时，若干扰信号,(,频率为,f,M,),加到混频器输入端，则混频器输出电流中将出现由下列频率通式表示的众多,组合频率分量,:,f,p,q,=,其中，某些通道的,p,和,q,值及其所取的正、负号满足下列关系式,(,4-3-8),则干扰信号就将其频率,f,M,变换为,f,I,，,顺利地通过中频放大器，造成干扰(收音机听到干扰信号)。这种干扰称为,寄生通道干扰,。,由于受到,f,L,-,f,c,=,f,I,的,限制，因而产生,寄生通道干扰的频率关系式,(4-3-8),只有下列两式才能成立,pf,L,-,qf,M,=,f,I,，,qf,M,-,pf,L,=,f,I,将它们,合并,，就得到能形成寄生通道干扰的输入干扰信号频率为,f,M,=,(4-3-9),上式表明,，,f,M,对称地分布在,pf,L,/,q,的左右，并且与,pf,L,/,q,的间隔均为,f,I,/,q,。,当接收机调谐于给定信号频率,f,c,时，,f,L,则定，混