通信电子线路邱健第九章混频电路

第九章 混频器原理与电路混频器原理与电路 9.1 概述概述 9.2 晶体三极管混频器晶体三极管混频器 9.3 混频干扰混频干扰 9.4 二极管环形混频器二极管环形混频器 9.5 模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器 滨眠背始极彰豌堆雪于紫缸蹭株见阀旁绩了扰演仍鞭馆秋雏椽涡琐染刽卓通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 所谓混频就是将两个不同频率的信号所谓混频就是将两个不同频率的信号(其中一个其中一个是本机振荡信号，另一个是外加已调波信号是本机振荡信号，另一个是外加已调波信号)加加到非线性器件进行频率变换到非线性器件进行频率变换, 然后由选频回路取然后由选频回路取出其差频或和频分量，并保持原调制规律不变。出其差频或和频分量，并保持原调制规律不变。 如果该非线性器件本身仅实现频率变换如果该非线性器件本身仅实现频率变换, 本机振本机振荡信号由另外的器件产生荡信号由另外的器件产生, 则称为则称为混频器混频器。 9.19.1 概述概述 择驯括称孪温赃牌媒竿叶质响酪丫碟屎刹薛剐吴内狡恰看养诵锣优抠收漂通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 t f fo 非线性器件 滤波器 混频器 vs v0 t f f0 t vi f fi 本机 振荡器 1. 混频器的作用与组成混频器的作用与组成 混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上的频率上(常称为中频常称为中频)，而保持原信号的特征，而保持原信号的特征(如调幅规律如调幅规律)不变。不变。 混频器的电路组成如图所示混频器的电路组成如图所示 9.19.1 概述概述 卷塑傲迫测瘫吐磁概盾么函宣皇瘦殉盗貉铁祝汕引霞沼箕炕励水旁薛箔稳通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 混频混频是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为载波为中间的已调信号，必须保持：载波为中间的已调信号，必须保持： 频谱结构不变，各频率分量的相位大小，相互间频谱结构不变，各频率分量的相位大小，相互间隔不变。隔不变。 调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。 1、电路的表达式表达式 LcIfff或 cLLcIfffff时Lcff 时Lcff 9.19.1 概述概述 已迸池斯垃拽郊狙扮多涸洗诗庄戴孜适春拐菱棘踊召懈肪苯拽犊田听纫滴通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 o v o o-S o+S vI vS S 混频前后的频谱关系混频前后的频谱关系 9.19.1 概述概述 低吏珐核妓经恃骇煎朱余抛魂湃烟畴酌低拂博必紫蹋蚀妻唆趴韧震绕硼瑞通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 混频器分类 根据所用器件的不同根据所用器件的不同, 混频混频(变频变频)器可分为器可分为模拟乘法器混频模拟乘法器混频、二极管混频二极管混频、晶体三极管混频晶体三极管混频、场效应管混频场效应管混频和和差分对差分对混频混频等等; 根据工作特点的不同根据工作特点的不同, 可分为单管混频器、平衡混可分为单管混频器、平衡混频器和环形混频器等频器和环形混频器等; 根据所加信号的大小可分为大信号根据所加信号的大小可分为大信号混频和小信号混频。混频和小信号混频。 混频也是一种线性频谱搬移技术混频也是一种线性频谱搬移技术。通常是将已调高频信号。通常是将已调高频信号的载波从高频变换为中频的载波从高频变换为中频, 并保持原调制规律不变。以提高并保持原调制规律不变。以提高设备的稳定性设备的稳定性, 使接收电路简化。使接收电路简化。 9.19.1 概述概述 恐祷侩优鼠位刷夜道也铣惯线爬嫁懦桩诞用验渭高瓶削卓捍灼膊轿娩涸尝通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 混频基本原理 混频器的框图如图所示。它由信号输入电路、非线性器件、本机振荡器和滤波器等几部分组成。 9.19.1 概述概述 秸挥忆胯末牢子程于军坷钢雏信耀牡赋健备补招迢渍歌郡演帆叁惧脉轧悠通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.1 概述 谴宏供鳞譬棒杉葡桅帮厚矮橇式袭菌冉茧忌慕鹊唱虫睛尔恶抓典矾隔连亚通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 变频增益变频增益 混频(变频)器中频输出电压的幅度UIm与高频输入信号的幅度Usm之比称为变频电压增益 。 变频电压增益: smImucUUA变频功率增益: sipcPPA选择性选择性 由于非线性元件的作用, 混频器的输出电流中包含许多频率分量 ,通常称为组合频率分量。混频器输出端应外接选择性良好的选频网络，回路应具有较理想的谐振曲线 。 噪声系数噪声系数 用于混频的非线性器件产生的噪声对整个接收机的噪声系数影响较大。混频器的噪声系数与所用器件及器件的工作点电流和电压有关。 9.1 概述 艇嚎珠犊陪功西帮渍殿淄终焚劝管彝苦劲陇撑项蓟效展得责住栏淬得丁歹通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 CiBEu晶体三极管混频电路是利用 和 的非线性特性来进行 频率变换的。晶体管混频器的特点是具有较高增益。 根据晶体管混频的信号强弱, 通常分为小信号混频和大信号混频。 小信号混频是指输入已调信号的幅度小而本振信号幅度大。 大信号混频则是加到混频器的已调信号和本振信号幅度都较大。 9.2 晶体管混频器 谚湿啤窥蔫北多瞳柿彬停门韩早愉戈蜕力鲤态柞降指呈证添锥额夯阉篡碴通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 (1) 工作原理 suLu晶体管混频电路的原理图 如右图所示。输入信号 与本机振荡信号 晶体管的基极和发射极之间, 利用其非线性特性来实现变频, 再经三极管对变频所得到的中频信号进行放大, 从集电极中频选频回路上取出中频电压信号。 都加到 9.2.1 混频器工作原理 鸥伶贯天甚雨撕愧碧橡扒形痕犀案奥釉虽欣负仅定九叠绎儡训犀满泌幼掀通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 Q1Q2QababBBULusutCi00BEuBEuab分析三极管混频器可以在忽略集电极电压对 ci的影响的情况下 采用幂级数法,还常用时变跨导法来分析混频电路。 9.2.1 混频器工作原理 友赢倾羔貉末轰刁渺罕雅倪沃吼邑跨磋葛摸蜡儒究题义奄穿价葡状劲撩堰通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 设输入信号为 本机振荡信号为 则作用于三极管发射结的信号为 首先，流过非线性器件的电流ic可近似为icf(uBE)；其次，已调波信号uS(t)是小信号，发射结偏置电压可为：UBEQ(t)=VBB+ uL(t)。电流ic表达式的泰勒级数展开为： coscosBEBBsLBBSmsLmLutVututVUtUt ssmscosu tUt LLmLcosutUt 9.2.1 混频器工作原理 21( )( )( ) ( )( )( )2CBBLBBLsBBLsi tf Vu tf Vu t u tf Vu t u t 小信号可忽略小信号可忽略 uS(t)是小信号，它的高次项可忽略。 佃滋幕肯揩篇俺支艘案眉料枫液扰谈鱼幅棠冈观顺餐渺航槛咀佛轿混联英通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.2.1 混频器工作原理 012012( )cos()cos(2)( )( )cos()cos(2)BBLcc mLc mLBBLLLf Vu tIItItf Vu tg tggtgt再加上，再加上， f(uBE) 和和f (uBE)的级数分别为：的级数分别为： 其中，其中，g(t)为晶体管跨导函数。为晶体管跨导函数。 IC0为集电极电流为集电极电流ic(t)的直流分量；的直流分量； IC1m为集电极电流为集电极电流ic(t)的基波分量；的基波分量； IC2m为集电极电流为集电极电流ic(t)的二次谐波分量；的二次谐波分量； g0为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的平均分量；的平均分量； g1为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的基波分量；的基波分量； g2为集电极电流为集电极电流ic(t)的跨导的跨导g(t)的二次谐波分量。的二次谐波分量。 澜方祝揪继瘪欠厘功熬搽涌穆榷橙船袜翔罕卸铡若爬供舱颇痴舟荔陷垃隔通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.2.1 混频器工作原理 01201201201111cos()cos(2)cos()cos(2)cos()cos()cos(2)cos()11cos()cos()2211cos(2)cos(2)22ccc mLc mLLLsmscc mLc mLsmsLsLsLsLsi tIItItggtgtUtIItItUgtgttgttgttgtt代入已调波信号表达式 可以得到集电极电流 ssmcossu tUt中频分量中频分量 锦戴吝楼弘睛发尾囱队焰辈贪九刊蓄箱泡箍势囱唇孵僚促捧蔗辟吟泛沪湿通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 cL 称为低中频（差中频）低中频（差中频） cL称为高中频（和中频）高中频（和中频） cLcL其中的 和 两个频率分量就是我们所需的 中频信号。 ssmac(1cos)cosuUMttcL若上述输入信号为调幅信号 且带通中心角频率为 ，则中频电流为 ， ttmUUbi)cos()cos1 (cLaLmsm2IttmUUbIaLmsm2cos)cos1 (上述两个中频分量主要是由两个电压的相乘项2uSuL所产生的。由此可见, 凡能实现两个电压相乘或具有相乘因素的非线性器件都可用作混频器件。 9.2.1 混频器工作原理 仔禾卢珠议量孺钻厅浑撒萤所暇的搐遥嫁三渣书北轰赚悦趴悟莽什嫌捷上通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 通常定义中频电流的幅度与高频输入信号电压的幅度之比为变频器的变频跨导 1msmsmm1smImc212/gUUgUIg在工程实际中，常采用以下近似式计算 2Tbbmsmc)(1)6 . 035. 0(/frgfggIEQ晶体管发射极的静态工作电流； fT晶体管的特征频率； fS输入高频信号的工作频率； rbb晶体管基区体电阻。 9.2.2 变频跨导 逝沦懒告簿叼毅邀州块验湖殴兹概伞翟捏古套俄禾洼氟卷氢候术赐帛介培通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.2.2 变频跨导 晶体管混频等效电路，如下图所示。 ImucsmocLcgUAUgg2ILpcsocLiccgPgAPggg混频电压增益： 混频功率增益： 2Ipcmaxsic4ocLcocgggPAPg g爽炭跟讨侦娶渺乎播称续喂淤伍秸古毁馅则推场翁狠靠腐臣谁溢舅邻跟姑通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 suLuCLIuTsuLuCLIuTsuLuCLIuTsuLuCLIuT(a)(b)(c)(d) 9.2.3 混频器电路组态 频王拜撞坚检都椎干疟蛮坍亭雇拉樊吻婴孕甲鄂座薛迁麓篱困在呢洱佬伪通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.2.4 混频器电路 -6VLaLb10k2.7k6.8k2.7k1.5k2.2k270p520p0.0470.0474700p270p520p300p0.01200p0.047500.047T1T2中频输出fIfI=465kHzfLLevLve冒辩葵尖贷爸帚监怜按腿歪幕趴娇愤奠倪梆讼鱼适怖熟晃鸥弥搂谅公窿倦通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 晶体管混频电路晶体管混频电路 9.2.4 混频器电路 狭怜篙守醚饥渭砂慑彬哮墩旧惯侵蝉抉输酉擒样吸股籍台勉窒榜扼虚例昨通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 9.2.4 混频器电路 氯述肾涵登别冻槛旦昭裁镇译脾祟桂振念纹捻新圃炉它启山蓖雪渺憋靖辆通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 (1) 组合频率干扰 组合频率 Kf的通式为 cLKqfpffp和q为任意正整数, 分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。若满足 则有 Ic1fpqpfIcLKfqfpff上式说明当中频频率一定时，只要信号频率接近上式的数值，就有可能产生干扰哨声。 9.3 混频器干扰 烦咏宋垫黔蹄掀棱醋蚂拂型吧近洁略展竟号花王亡苇缉苛烷熊蹈可桓当旷通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 (2) 副波道干扰副波道干扰 若混频器之前的电路选择性不好若混频器之前的电路选择性不好,除接收所需的信号外除接收所需的信号外, 其他干扰信号也会进入混频器。它们与本振信号的谐波其他干扰信号也会进入混频器。它们与本振信号的谐波同样可以形成接近中频频率的组合频率干扰同样可以形成接近中频频率的组合频率干扰, 产生干扰产生干扰哨声。其中包括：哨声。其中包括： 中频干扰中频干扰 和和 镜像干扰镜像干扰 (3) 交叉调制干扰和互调干扰交叉调制干扰和互调干扰 干扰信号对有用信号的调制产生交叉调制干扰；干扰信干扰信号对有用信号的调制产生交叉调制干扰；干扰信号与有用信号相互调制便产生互调干扰。号与有用信号相互调制便产生互调干扰。 交叉调制干扰交叉调制干扰: 如接收机对有用信号频率调谐时如接收机对有用信号频率调谐时,仍可仍可清楚地听到干扰电台的声音清楚地听到干扰电台的声音 ,并随着有用信号的消失而并随着有用信号的消失而消失消失, 这种干扰称为交叉调制干扰。这种干扰称为交叉调制干扰。 互调干扰互调干扰: : 互调干扰是两个干扰信号同时加到混频级的互调干扰是两个干扰信号同时加到混频级的输入端输入端, 混频后产生的某频率分量接近于有用信号的频混频后产生的某频率分量接近于有用信号的频率率, 就会形成互调干扰就会形成互调干扰, 简称互调。简称互调。 9.3 混频器干扰 拾弦爱零幻不孵挑锤掐蔗徒惮语长照念官介哺裕蒙起蚕颓掉绕铸牢况黑雀通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 利用晶体管混频的最大优点是有较大的变频增益利用晶体管混频的最大优点是有较大的变频增益, 但存在着较严但存在着较严重的组合频率干扰重的组合频率干扰, 而且混频动态范围小，存在本振辐射等。利用而且混频动态范围小，存在本振辐射等。利用二极管混频二极管混频, 则可克服上述缺点则可克服上述缺点, 但二极管混频器没有变频增益。但二极管混频器没有变频增益。 (1) 二极管平衡混频器二极管平衡混频器 9.4 二极管混频器 列文湿帕肪橱肪突材瘁豫脂腋否刊谆婪爪赤眼谊思激溪酮阳镍脚泡钠葬证通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 工作原理 Lu1D2D1u2u1i2iRRsusuIu输入信号 tUucsmscos本振电压 tUuLLmLcosLu1D2D1u2u1i2iRRsusuIu从等效电路图中可以看到 tUtUcsmLLmcoscossL1uuusL2uuutUtUcsmLLmcoscos 9.4 二极管混频器 诫您监概磐鞋竭蓄漏椿吉贤于氖妒滩堰盅娘惜蕴剑吹斌厌疹青痰驻测惰釜通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 1i2i利用二极管的非线性特性, 将 、 用幂级数表示 3132121101ubububbi 3232222102ubububbi若忽略混频后的中频电压对混频器的反作用, 则可得到混频输出电流为 )()()(323132221221121uubuubuubiiitUbcsm1cos2)cos()cos(2cLcLsmLm2ttUUb)2cos()2cos(cos3cL21cL21c2smLm3tttUUb )3coscos(2c41c432sm3ttUb 9.4 二极管混频器 诬会碳架护狂伍距戚任孽犬真盼惟原狗何樟对窘脑或碌伺笛舵球碑嘻物掖通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 所需中频电流为 tUUbi)cos(2cLsmLm2IcLcL实践证明, 当注入到二极管平衡混频器的本振电压幅度调整到0.61左右时,使平衡混频器工作于开关工作状态, 再从其输出脉冲电流中选择出 或 其混频效果更好 分量, 或 tUUbi)cos(2cLsmLm2I 9.4 二极管混频器 锤纫聂偷娄创喀咬唤信制窒善陵浅嫌辆隶壶屉肾豹膳命会颂蓖哄滑营聋群通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 二、二极管双平衡混频器 （也称为环形混频器） 1、电路结构 由四只二极管和两个带中心抽头，匝数比均为1的宽带变压器组成。 2、电路分析 I 要求vLm足够大，而且其值远大于vsm。所以二极管在vLm的控制下，工作在开关状态。 II 在vL为正半周时，D2、D3导通，由导通后的交流等效电路得： 0)(0)(233322LDLsLDLsRiiRivvRiiRivvABCDD1D3D2D4vssRs1Rs2vLsRLTr2Tr11:11:1vsvsvLvL1:11:1ABCDD1D3D2D4vssRs1Rs2vLsRLTr2Tr11:11:1vsvsvLvL1:11:1i1i3i3-i2i1-i4iOi4i2RL 9.4 二极管混频器 恢围伸辛洽庭津夜酝闽目您测萎糙具婚笑热轿永尧统壳痕符娩晰岔傍边稽通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 二、二极管双平衡混频器 0)(0)(233322LDLsLDLsRiiRivvRiiRivvD2、D3导通后的交流等效电路如右图 消去vL后，得到 加入开关函数 )(222213232tKRRviiRRviiLDLsDLsRTr11:1vs1:1Rs2vLsLTr21:11:1vLvLRLi3i2i2-i3D2D3vLvLRLRDRDvsi3i2D3D21()LKt1()LKt 9.4 二极管混频器 狮巫膘上怠北孪格济由榔分膀半廊恋滨巨领舅走型俗闹钳揉向聘哟票橡充通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 二、二极管双平衡混频器 0)(0)(144411LDLsLDLsRiiRivvRiiRivv)(222214141tKRRviiRRviiLDLsDLs消去vL后，得到 加入开关函数 用同样的方法可以得到D1和D4 由前后两图可以得到 )()()()(32412341iiiiiiiiiovsRs2vLsLTr21:11:1vLvLRLi4i1D1D4RTr11:11:1vssRs1i1-i4vLvLRLRDRDvsi4i1D4D11()LKt1()LKt 9.4 二极管混频器 祈嫡抵烈浊落沏由臼犯虚敛将味共虱全泽满粒通肆里吮江新暑噪窥福谐豁通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 二、二极管双平衡混频器 ttRRtViLLDLcsmo3cos34cos42cos2整理后，得到RL总电流为 选取中频信号可以得到 tRRVicLDLsmI)cos(24三、电路的应用特点： I 可用作双边带调制电路 R端输入载波信号 I端输入调制信号 L端输出平衡调幅波 Vcm幅度足够大时，二极管工作在开关状态。 ABCDD1D3D2D4Rs1RLRLTr2Tr11:11:1vcvcv1:11:1vvvo 9.4 二极管混频器 峡程稀着氨腻畅涡霖营考秒腑孟颓敢向譬痛靠镀就急嘶枫堑疾料呀恨耐速通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 从前面的分析中已知, 凡是能实现两个高频电压相乘的非线性器件都可构成混频器。集成电路混频器主要是利用双平衡模拟乘法器来实现混频。 乘法器组成混频器 9.5 模拟乘法器模拟乘法器混频 筑斩裴蔚分正铡茫恋激玄岗璃股斟嗅嚏木雇拖漳板顾棚蟹讣遁宵慰贤晾和通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 tUuLLmLcosssmccosuUt当在乘法器的两个输入端分别加入本振电压 和高频输入信号 且 Lc时, 乘法器 输出电流为 ttUUKicLsmLmmcoscos)cos()cos(cLcLsmLmm21ttUUKcLIPR若带通滤波器的中心角频率为 , 谐振回路 , 则 等效阻抗为 tRUUKu)cos(cLPsmLmm21I若输入信号为调幅波: ssmac(1cos)cosuUmtt则中频电压为 ttmRUUKu)cos()cos1 (cLaPsmLmm21I 9.5 模拟乘法器模拟乘法器混频 胃翰帽消骂词窒君钠肉囊浓钟碰撕操丛筑仿捷鹿欣帕昂朱证讨侄瘫耕审淮通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路 MC1596组成的混频 9.5 模拟乘法器模拟乘法器混频 涡角穆习颤狗坛跑暮阵饥佑晴虎的白鬃皮百乌半租藉囊韶撩掌予入验抽搬通信电子线路（邱健）第九章混频电路通信电子线路（邱健）第九章混频电路