第六章混频器3-2

第六章混频器作业6-5、6-6 6.1 概述混频器的作用：①发射机---上变频器---将已调制中频信号搬移到射频②接收机---下变频器---将接收到的射频信号搬移到中频混频方法：①乘法器电路二极管--不需偏置，功耗低{②非线性器件场效应管—平方率，组合频率少双极晶体管混频原理（下变频为例）：工作状态--线性时变()=cosω本LO振信号：v t V tLO LO()=cosω射频RF信号：v t V tRF RF1[()t()t] LO =cosω−ω+cosω+ωRF LO RF RF LO RF LOv v V V二者相乘：2中频信号调幅接收机混频器---结构框图、端口波形与频谱特征v(t) RFv(t)IF vRFvIFv v(t)LOLO混频实质---线性频谱搬移①时域特性---输出、输入波形包络相同，载波频率不同②频域特性---输出、输入频谱结构与带宽相同，载频不同混频器结构：三个端口---射频口、本振口、中频口混频器主要指标1. 增益变频增益---输出中频信号大小与输入射频信号大小之比表示形式：电压增益A V=V IF/V in功率增益G p=P IF/P in两者关系：2P V/R RG A===2===2IF IF L SP V2P V/R Rin RF S L 端口匹配：{R射频口源阻抗sR中频口负载阻抗L（1）射频口---①与低噪声放大器直连②前接滤波器（50Ω）（2）中频口---接中频滤波器（声表/介质/晶体---阻抗不同）混频器种类（按增益划分）：①有源混频器---增益大于1②无源混频器---增益小于1---变频损耗---动态范围大2. 噪声混频器位于接收机前端，其噪声性能对系统影响大F1F1−−F F=++2 31G G G112噪声系数的计算：混频器是线性网络（对射频信号），可用线性网络公式计算（增益---变频增益）混频器噪声来源：（1）电路内部元器件噪声---由实际电路进行具体分析（2）输入信号伴随的噪声---①射频信号带内噪声②镜像带内噪声两种噪声系数定义：SSB 信号位于本振一侧，混频DSB信号位于本振两边,无镜像将信号带内噪声和镜像带内噪频率，混频只将信号带内噪声声都搬到中频，实测噪声系数搬移到中频，实测的噪声系数---单边（SSB）噪声系数---双边（DSB）噪声系数若两热噪声相同，混频器无噪若混频器无噪，信噪比不变输出信噪比降低3dB混频前频谱混频后频谱3. 失真与干扰非线性器件实现混频---利用非线性特性的平方项产生中频信号非线性器件高次方项---产生组合频率落在带内----干扰、失真（1）干扰哨声f混频器输入：射频信号RFf本振信号LO有用中频：f=−LOIF f fRFRF±=±Δ组合中频：pf qf f FLO IF单音频若组合中频落在有用中频带内：有用中频组合中频}ΔF送入解调器---输出音频信号含有---干扰哨声（2）寄生通道干扰f前提条件：输入射频有用信号, 伴有干扰信号RF f m有用中频：f IF=f RF−f LO--有用射频与本振产生--主通道中频qf±=LO pf fm IF组合中频：--干扰与本振产生--寄生通道中频--寄生通道干扰主要的寄生通道干扰：①中频干扰：f m=f IF（q=0,p=1）不经混频直通到输出端被混频器直接放大，增益比主通道变频增益大f=−q,1=1p= mf fLO IF②镜像频率干扰：（）镜频干扰通过混频器，变频增益与主信号一样（3）互调失真条件：输入信号伴有多个干扰以两个干扰信号为例：有用射频信号：fRF射频干扰信号：f m、f1m2RF---互调干扰如出现组合频率()rf−≈m sf f1m2()IF---互调失真rf−−=m sf f f1m2LOn1=s+r+ 由非线性器件次方项产生当r+s=3影响最严重---三阶互调---次方项产生n4=三阶互调干扰信号与射频信号的关系：2m f f或f−≈1m2RF 2f−≈m f f2m1RF4. 线性指标非线性器件构成混频器---工作在线性时变状态---对小信号线性非线性器件小信号输入---混频器是线性网络输出中频信号幅度}成正比输入射频信号幅度较大信号输入---出现非线性失真衡量指标：（1）1dB 压缩点变频增益下降1dB时所对应的输入射频（或输出中频）信号功率（2）三阶互调截点条件：输入有用射频信号f RFf射频干扰信号和RF1fRF2fRF1fRF2假设输入射频及干扰信号幅度均相同有用信号中频：f IF=f RF−f LO三阶互调产生的中频信号：(2)f−f−f=fRF1RF2LO IF或()2RF f f ff−−=2FR1LO IF三阶互调中频功率=有用中频功率的点----三阶互调截点----IIP3、OIP3（3）线性动态范围定义：1dB 压缩点与混频器的基底噪声之比，用dB表示混频器位于低噪放后---线性范围要求比低噪放高5. 口间隔离①本振口射频口9影响LNA工作性能9影响本振工作性能②本振口中频口使中放过载甚至强信号阻塞③射频口中频口f>>RF fIF一般，可被滤除6. 阻抗匹配非线性器件对混频器三个口的阻抗要求：①匹配----最佳功率传输RF口/IF口必须与所接的滤波器匹配不同滤波器输入输出阻抗不同，如：声表面波滤波器：200欧陶瓷滤波器：330欧晶体滤波器：1000欧②每个口对另外两个口的信号力求短路----减少口间干扰6.2 有源混频器电路{单管跨导型混频器单平衡混频器双平衡混频器特征: 由双极型晶体管或场效应管构成实现原理基本相同，分析方法通用混频增益> 16.2.1 单管跨导型混频器1. 电路构成直流偏置原理电路2. 工作原理‰器件工作状态---线性时变v t VRF ()=cosω射频：RF RFt小信号v t VLO ()=cosω本振：LOV>>LO VRF线性时变的两要点：tLO大信号①时变---时变偏置控制时变跨导---称为跨导型混频器GSQ=−+GG LO GS=−++GG LO RFV(t)V v(t)时变偏置：v(t)V v(t)v(t)时变跨导：g m(t)--- ωLO的周期函数---傅氏展开：m0+ω+ω+=g g t g tm m1LO m2LOg(t)cos cos2......ππ110∫mgmi()cos=∫g tgm()=ωi td t ωωLO LOg t d tmπ2πLO−π−π②线性----漏极电流与小信号成线性iD射频小信号输入时，漏极输出电流：ωIF i I()()()D=+⋅0t g t v t Dm RF混频的实现：滤波ωRF±ω() g t⋅v t()1()()IFωωω=−中频LOm RFRF LO 11i t=g⋅Vω−ωt=g⋅Vωt()cos()cosIF m1RF RF LO m1RF IF221v t=g R⋅Vωt()cos输出中频电压：1IF m L RF IF2输出回路谐振阻抗V1A=IF=/=v g R V V g R1变频增益：m L RF RF fc LV2RFI1g==fc gIFm定义：1---变频跨导---射频电压变中频电流能力V2RF---时变跨导基频分量的一半‰变频跨导的求法①由器件的伏安特性曲线iD~v GS---平方律特征及跨导的定义di g=D m dvGS求出器件的g m~v GS关系曲线---线性特性g(t)m当v GS增大，受限为最大gm gm max②代入混频器的时变偏置GS=−+GG LOv(t)V v(t)直流偏置和本振幅度不同---变频跨导不同③通过曲线g m~v GS画出时变跨导的波形g(t)④由傅氏级数m gm(t)g(t)m求出基频分量幅度得到变频跨导：1g=gfc m12g m1变频跨导最大值：当V=GG VGG(off)LOm g m max Vg(t)且使达到最大值时m g m(t)=g m max⋅S1(ωLO t) g(t)变为方波，g=πm12g mmaxg(t)的基频分量最大mg=πfc gm max 最大变频跨导：3. 设计考虑（1）RF口和LO口的设计考虑问题----匹配RF和LO信号均由栅极输入，二者同时匹配很难----主要考虑RF口的匹配即混频器RF口与前级低噪放的匹配---保证小信号最佳传输匹配措施：①保证LO口耦合电容C很小，以使本振源不影响RF口参数G1②栅极输入电容并入低噪声放大器输出谐振回路FET混频器、放大器等效电路的差异？①输入阻抗1≈1 R+iωCωCRF GS RF GS r ds呈容性---相同输出阻抗输出阻抗②输出阻抗相同③等效电流源不同放大器----g vm gsg---跨导m混频器----g vfc gsg---变频跨导fc（2）偏置=−+ 时变偏置v GS(t)V GG v LO(t)v(t) 随本振电压变化时，LO应使管子工作在饱和区，i~D V维持平方率特性不变GS本振变化不能影响漏极电压保障措施---漏极对本振短路，即加LC串连回路漏极对本振的交流阻抗为0本振变化不影响漏极电压（3）输出回路中频输出回路功能：①选频滤波从含众多频率分量的漏极电流中选出中频信号同时对RF/LO信号短路②阻抗变换将后级中频电路的输入阻抗变换为漏级所须阻抗，获得适当增益（4）中频陷波若RF信号含中频干扰和噪声---直通---混频器相当中频放大器防止中频干扰和噪声直通的方法：FET的栅极应对中频短路---加中频串联回路---中频陷波器（5）本振注入方式①从栅极注入优点---需要的本振功率小缺点---LO 口与RF口的隔离差②从源极注入栅极直流偏压VGG = 0时变偏置=−=−v(t)V v(t)v(t)GS GG LO LOLO负半周，FET导通，正半周仍截止，跨导随本振时变，实现混频优点---LO 口与RF口的隔离加大缺点--- 对射频负反馈，使混频增益下降，RS本振源提供的功率比从栅极注入要大4. 双栅FET混频器‰电路特点①场效应管有两个栅极②本振信号接在靠近漏极的栅极G上2③射频信号接在靠近源极的栅极G上1④本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配⑤本振信号的栅极G2对中频短路⑥双栅管的漏极对本振和射频短路‰双栅FET混频器工作原理将双栅分解成两个场效应管9FET2工作特征①输入为本振信号v(t)LO②作为跟随器---源极输出跟随输入，即v DS1≈v LO(t) 9FET1工作特征①输入为射频信号v(t)RF1管工作在可变电阻区（条件vDS1足够小）②FETi≈β−D1n(v GS V GS th)v DS i v=v t1()1D1GS RF1()与成线性∂igβn v DS1v(t)===βD1FET1跨导：1∂n LOvGS1g=---时变跨导---重复频率ωLO1g(t)11g(t)9混频的实现i g(t)v g(t)v==D11GS11RF=β=βv v v vn DS1RF n LO RF包含有频率ω−RFωLO---实现了混频功能9中频输出混频电流经FET2到达中频输出端i(t)DFET2相当共栅中频放大器为获得足够增益要求G2对中频短路双栅FET混频器优点：---口间隔离好、易匹配、变频增益大。

混频器-混频器混频器-正文输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。

混频器通常由非线性元件和选频回路构成（图1）。

输入频率f和来自本地振荡器的本振频率f1经混频器作用后，输出频率变为f i（见超外差）。

它们的关系可用f i=│±pf1±qf│表示，其中p和q是任意正整数。

若混频和本地振荡由同一装置完成，则称为变频器。

混频器混频器的输出信号除中心频率有所改变外，其余参数，如包络波形和所含频谱成分的相对关系均不改变。

输出信号频率高于输入信号频率的称为上混(变)频，反之,则称为下混（变）频。

图2表示某调幅信号下混（变）频前后的波形和频谱。

混频器混频器最早用于等幅电报信号的接收，称为差拍检波器，后来已是超外差接收机、载波电话（见有线载波通信）和许多电子设备的基本组成单元。

非线性变换若非线性元件的特性用下式描述：i(t)＝ɑ0+ɑ1u(t)+ɑ2u2(t)+ɑ3u3(t)+ (1)当两不同频率的信号电压u1(t)=U1cos2πf1t和u2(t)＝U2cos2πf i t同时作用于非线性元件时，则元件中的电流i(t)将含有丰富的谐波和组合频率成分，它们与f1及f i的关系为(2)式中p＝0，1，2，…，n，q=1，2…,m。

要使输出信号频率变为f i＝f1-f,只须使i(t)通过一调谐于f i的选择性回路便可取出f i而滤掉其他频率成分。

混频器二极管混频器典型电路如图3。

调整偏置电压E0，使二极管工作特性呈非线性，而输出回路则调谐在f i即可实现两输入信号的混频。

这种混频器结构简单，可以工作在较高频段，但变频增益较低,各回路之间相互影响较严重,组合频率干扰也较大。

平衡混频器典型电路如图4。

由于采用平衡电路结构，输出的谐波及其组合干扰成分较少，本振电路产生的噪声也不会出现在它的输出端。

混频器晶体管变频器兼具振荡和混频两种功能的电路(图5）。

图中晶体管T、电感线圈L4、L3和电容器C3、构成一互感耦合振荡器。