混頻器原理分析

1、鄭州輕工業(yè)學院課程設計任務書題目三極管混頻器工作原理分析專業(yè)、班級學號姓名主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等:、主要內(nèi)容分析三極管混頻器工作原理、基本要求1:混頻器工作原理，組成框圖，工作波形，變頻前后頻譜圖。2:晶體管混頻器的電路組態(tài)及優(yōu)缺點。3:自激式變頻器電路工作原理分析。4:完成課程設計說明書，說明書應含有課程設計任務書，設計原理說明，設計原理圖，要求字跡工整，敘述清楚，圖紙齊備。5:設計時間為一周。、主要參考資料1、李銀華電子線路設計指導北京航天航空大學出版社2005.62、謝自美電子線路設計實驗測試華中科技大學出版社2003.103、張肅文高頻電子線路高等教育出版社2004.11完

2、成期限：2010.6.24-2010.6.27指導教師簽名：課程負責人簽名：2010年6月20日目錄第一章混頻器工作原理第一節(jié)混頻器概述4第二節(jié)晶體三極管混頻器的工作原理及組成框圖5第三節(jié)三極管混頻器的工作波形及變頻前后頻譜圖-8第二章晶體管混頻器的電路組態(tài)及優(yōu)缺點-10第一節(jié)三極管混頻器的電路組態(tài)及優(yōu)缺點第二節(jié)三極管混頻器的技術(shù)指標-第三章自激式變頻器電路工作原理分析12第一節(jié)自激式變頻器工作原理分析12第二節(jié)自激式變頻器與他激式變頻器的比較1315第四章心得體會14第五章參考文獻第一章混頻器工作原理第一節(jié)混頻器概述1.1.1 混頻器簡介變頻（或混頻），是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值

3、的過程。具有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號：混頻器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，cos0ccosB=cos（%+（3）+cos（3明/2。其中口為信號頻率量，B為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當本振振蕩器的頻率隨著時間進行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。1.1.2 混頻器的分類從

4、工作性質(zhì)可分為二類，即加法混頻器和減法混頻器分別得到和頻及差頻。從電路元件也可分為三極管混頻器和二極管混頻器。從電路分有混頻器（帶有獨立振蕩器）和變頻器（不帶有獨立振蕩器）混頻器和頻率混合器是有區(qū)別的。后者是把幾個頻率的信號線性的迭加在一起，不產(chǎn)生新的頻率。混頻器一.:I圖i混頻與變獨變則1.1.3混頻器的相關(guān)參數(shù)(1)噪聲系數(shù)：混頻器的噪聲定義為：NF=Pno/Pso。Pno是當輸入端口噪聲溫度在所有頻率上都是標準溫度時，傳輸?shù)捷敵龆丝诘目傇肼曎Y用功率。Pno主要包括信號源熱噪聲，內(nèi)部損耗電阻熱噪聲，混頻器件電流散彈噪聲及本振相位噪聲。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產(chǎn)生的噪聲資用功率。(2

5、)變頻損耗：混頻器的變頻損耗定義為混頻器輸入端口的微波信號功率與中頻輸出端信號功率之比。主要由電路失配損耗，二極管的固有結(jié)損耗及非線性電導凈變頻損耗等引起。(3)1dB壓縮點：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠低于本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現(xiàn)飽和。當中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對于結(jié)構(gòu)相同的混頻器，1dB壓縮點取決于本振功率大小和二極管特性，一般比本振功率低6dB。(4)雙音三階交調(diào)：如果有兩個頻率相近的微波信號fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由于混頻器的非線性作

6、用，將產(chǎn)生交2dB調(diào)，其中三階交調(diào)可能出現(xiàn)在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以內(nèi)，造成干擾，通常用三階交調(diào)抑制比來描述，即有用信號功率與三階交調(diào)信號功率比值，常表示為dBc。因中頻功率隨輸入功率成正比，當微波輸入信號減小1dB時，三階交調(diào)信號抑制比增加圖4平衡混藕器原理電路(5)動態(tài)范圍：動態(tài)范圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率范圍。其下限因混頻器的應用環(huán)境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應混頻器的1dB壓縮點。(6)隔離度：混頻器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其它端口的功率與輸入功率之比，

7、單位dB(7)本振功率：混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動態(tài)范圍增大，線性度改善(1dB壓縮點上升，三階交調(diào)系數(shù)改善)。(8)端口駐波比：端口駐波直接影響混頻器在系統(tǒng)中的使用，它是一個隨功率、頻率變化的參數(shù)。(9)中頻剩余直流偏差電壓：當混頻器作鑒相器時，只有一個輸入時，輸出應為零。但由于混頻管配對不理想或巴倫不平衡等原因，將在中頻輸出一個直流電壓，即中頻剩余直流偏差電壓。這一剩余直流偏差電壓將影響鑒相精度。第二節(jié)晶體三極管混頻器的工作原理及組成框圖1.2,1組成框圖變頻(混頻)是將高頻信號經(jīng)過頻率變換，變?yōu)橐粋€固定的頻率。通常指將高頻信號的載波頻率從高頻

8、變?yōu)橹蓄l同時必須保持其調(diào)制規(guī)律不變。具有這種功能的電路稱為混頻電路或變頻電路，亦稱為混頻器或變頻器。一般變頻器應有四部分組成，即輸入電路、非線性器件、帶通濾波器和本機振蕩器，如圖2-1所示，圖中本機振蕩器用來提供本振信號頻率fL。輸入高頻調(diào)幅波Vs,與本振等幅波VL,經(jīng)過混頻后輸出中頻調(diào)幅波Vi。輸出的中頻調(diào)幅波與輸入的高頻調(diào)幅波的調(diào)制規(guī)律完全相同。亦即變頻前后的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只是中心頻率由fs改變?yōu)閒i,亦即產(chǎn)生了頻譜搬移。圖1-1晶體管混頻器的組成框圖1.2.2混頻器工作原理晶體三極管混頻器的原理性電路如圖2-2所示，在發(fā)射結(jié)上作用有三個電壓，即直流偏置電壓VBB、信號電壓Us和本振電壓U

9、L。為了減少非線性器件產(chǎn)生的不需要分量，一般情況下，選用本振電壓振幅ULM>>USM,也就是本振電壓為大信號，而輸入信號電壓為小信號。在一個大信號uL和一個小信號us同時作用于非線性器件時，晶體管可近似看成小信號的工作點隨大信號變化而變化的線性元件，如圖1-5所示。t1時刻，在偏壓VBB和本振電壓UL的共同作用下，它的工作點在A點，止匕時us較小。因此，對us而言，晶體管可以被近似看成工作于線性狀態(tài)。在另一時刻t2,對于us而言，由于偏壓和本振電壓的作用，工作點移到B點，這是對us仍可看成工作于線性狀態(tài)。雖然兩個時刻均工作于線性狀態(tài)，但工作點不同，這兩個時刻的線性參數(shù)就不一樣。因為

10、us的工作點隨uL的變化而變化，所以線性參量也就隨著uL變化而變化，可見線性參量是隨時間變化的，這種隨時間變化的參量稱為時變參量。這樣的電路稱為線性時變電路。應當注意，雖然這種線性時變電路是由非線性器件組成。但對于小信號us來說，它工作于線性狀態(tài)，因此，當有多個小信號同時作用于此種電路的輸入端時，可以應用疊加原理。圖2-2晶體管混頻原理性電路晶體三極管混頻器工作原理以共發(fā)射極注入式為例，分析如下：設輸入信號us=Vscoswst,本振電壓ul=Vlcoswlt,混頻器伏安特性而則將ube帶入上式得由上式可知，當兩個不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時，電流中不僅含有基波（wl,ws）成分，同時

11、由于平方項的存在，還產(chǎn)生了許多新的頻率成分（即直流分量，二次諧波，和頻和差頻）。其中差頻分量wl-ws為所需的中頻成分wi,通過濾波網(wǎng)絡，就能選出中頻成分，即完成混頻。第三節(jié)三極管混頻器的工作波形及變頻前后頻譜圖混頻器將接收到的高頻載波信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，接收到高頻載波信號的頻率為fs,幅度為Uam（t）,本振電路產(chǎn)生的頻率為fl,當經(jīng)過混頻后變成一固定中頻fi=fs-fl。通過示波器觀察，可得出混頻前后的工作波形如下圖所示：圖3-5變頻前后的工作波形圖通過頻譜分析儀我們同樣可以得到其變頻前后的頻譜變化，如下圖所示：圖4-6變頻前后的頻譜圖第二章晶體管混頻器的電路組態(tài)及優(yōu)缺點第一節(jié)三極管

12、混頻器的電路組態(tài)及優(yōu)缺點圖2-1中電路（a）和（b）為共射混頻電路，（c）（和d）為共基混頻電路。電路（a）,信號電壓由基極輸入，本振電壓由基極注入優(yōu)點：因為它的輸入阻抗較大，因此用做混頻時，本振電路容易起振，需要注入的本振功率比較小。缺點：因為信號輸入電路與振蕩電路相互影響比較大（直接耦合），可能產(chǎn)生牽引現(xiàn)象。特別當ws與wl的相對頻差不大時，牽引現(xiàn)象比較嚴重，不宜采用此種電路。圖5-1晶體管混頻器的四種電路組態(tài)電路（b）,信號電壓由基極輸入，本振電壓由發(fā)射極注入優(yōu)點：它的輸入信號與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入。互相影響產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。同時，對于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻

13、抗較小，不宜過激勵，因此振蕩波形好，失真小。缺點：需要較大的本振功率輸入。電路（c）和（d）都是共基極混頻器，分別為同極注入式和分極注入式。優(yōu)點：在較高的頻率工作時（幾十兆赫），因為共基電路的比共發(fā)電路的要大很多，所以變頻增益較大。因此在較高頻率工作時也采用這種電路。缺點：在較低的頻率工作時，變頻增益低，輸入阻抗也低，因此在頻率較低時不宜采用此電路。第二節(jié)三極管混頻器的技術(shù)指標2.2.1 混頻跨導混頻跨導gc的定義為輸出中頻電流振幅Ilm與輸入高頻信號電壓Usm之比，可得這說明混頻器變頻跨導gc等于時變跨導g(t)的傅里葉展開式中基波振幅gl的一半。在數(shù)值上，變頻跨導是時變跨導g(t)的基波分

14、量的一半,可以通過求g(t)的基波分量gl來求得變頻跨導。而此時的混頻增益為:由此可以看出在三極管工作在線性范圍時混頻增益與跨導成正比。且晶體管跨導與晶體管的靜態(tài)工作點也存在一定的關(guān)系，下面為它們的關(guān)系曲線，其中圖6-2混頻管跨導隨本振電壓vL的變化2.2.2 混頻增益從上面的介紹中我們已經(jīng)知道了如何求混頻跨導g,從而我們得出圖2-2加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線，也可以求出混頻電壓增益和混頻功率增益。先畫出混頻電路的等效電路，如圖2-3所示：圖7-3晶體管混頻器等效電路圖2-3中，gic為輸入跨導，goc為輸出電導，gc為混頻跨導，gL為負載電導。由圖2-3可得混頻電壓增益:混頻功率增益:當g

15、oc=gl時，混頻器則可得到最大混頻功率增益:2.2.3 選擇性變頻器的輸出電流中包含很多頻率分量，但其中只有中頻分量是有用的。為了抑制其他各種不需要的頻率分量，要求輸出端的帶通濾波器有較好的選擇性，即希望有較理想的幅頻特性，它的矩形系數(shù)盡可能接近于1。2.2.4 噪聲系數(shù)因為變頻器在接收機的最前端，主要是變頻器的噪聲決定接收機的噪聲系數(shù)。因此，為了提高接收機的靈敏度，必須降低變頻器噪聲，即噪聲系數(shù)應盡可能小。2.2.5 失真和干擾混頻器除了有頻率失真和非線性失真外，還會產(chǎn)生各種非線性干擾,如組合頻率、交叉調(diào)制和互相調(diào)制、阻塞等干擾。所以對混頻器不僅要求頻率特性好，而且還要求非線性器件盡可能少

16、產(chǎn)生一些不需要的頻率分量，以減少造成干擾的可能。副波道干擾：由于接收機前端選擇性不好，外界干擾信號竄入而引起的干擾（最強兩個為中頻干擾和鏡像干擾）。交叉調(diào)制干擾：在有用中頻信號的包絡上疊加了干擾信號的包絡而引起的互調(diào)干擾，干擾信號之間彼此混頻而產(chǎn)生接近中頻的信號而引起的組合頻率的干擾：（一）干擾哨聲：有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾。產(chǎn)生的原因：輸入到混頻器的有用信號與本振信號，由于非線性作用，除了產(chǎn)生有用的中頻信號外，還產(chǎn)生許多無用的組合頻率分量，如果它們中的有些頻率分量正好接近中頻（或落在中頻通帶內(nèi)），則這些成分將和有用中頻同時經(jīng)過中放加到檢波器上。通過檢波器的非線性特性，這些接近中頻的組

17、合頻率與有用中頻差拍檢波，產(chǎn)生差拍信號（可聽音頻），形成干擾哨聲。（二）寄生通道干擾：外來干擾與本振的組合頻率干擾。產(chǎn)生的原因：混頻器輸入回路選擇性差，使fn信號輸入，與本振頻率fL經(jīng)變頻后產(chǎn)生許多頻率分量，且滿足時，該干擾將通過混頻后由并經(jīng)中放，在檢波器中檢波后在輸出端產(chǎn)生且聽到的干擾的聲音。第三章自激式變頻器電路工作原理分析第一節(jié)自激式變頻器工作原理分析本節(jié)以收音機自激式變頻器為例，來說明自激式變頻器工作原理。圖3-1是收音機自激式變頻器，用于中波段。本地振蕩器由三極管、振蕩回路（Lc、C5、C6、C7）和反饋線圈Lf等構(gòu)成的變壓器耦合反饋振蕩器。本地電壓由Lc的抽頭取出加到三極管發(fā)射極和

18、加到基極的輸入信號混頻。自激式變頻電路本振和混頻由一只三極管承擔，可節(jié)省管子。但由于中頻電流通過反饋線圈Lf會引起中頻負反饋，如果設計不當，就會使變頻增益降低。由于變頻器只是將信號頻譜自高頻搬移到中頻，而各頻譜分量的相對位置則保持不變，所以調(diào)頻接收機與調(diào)幅接收機的變頻器電路結(jié)構(gòu)是完全相同的。圖8-1自激式變頻器第二節(jié)自激式變頻器與他激式變頻器的比較自激式變頻器與他激式變頻器有相同點也有不同點，通過查閱資料后，總結(jié)其異同點如下：相同點：變頻電路是將輸入的已調(diào)信號變換為另一頻率的已調(diào)（中頻）信號實現(xiàn)信號頻譜線性變換的一種電路，完成頻譜在頻率軸上的線性搬移。在頻域上起著減（加）法器的作用。不同點：變頻器（自激式變頻器）是電路中自身產(chǎn)生控制信號（由一個非線性器件產(chǎn)生振蕩和混頻作用），即其中的晶體管除完成混頻器外，本身還構(gòu)成一個自激振蕩器。而混頻器（他激式變頻器）需由外部的振蕩器提供輸入控制信號，即本振信號需要由外部振蕩器提供。第四章心得體會通過這次課程設計，加強了我們思考問題和解決問題的能力。我們的課題是對混頻器原理進行分析，在這一周中我們更進一步了解了高頻線路中各種分析方法，如非線性的分析方法，了解了混頻器在實際電路中的應用，以及在實際電路中的產(chǎn)生的干擾等等?；祛l又稱變頻，也是一種頻率的搬移過程，它使信號從某一個頻率變換到另一個頻率上?；祛l技術(shù)在電子通信、電