射頻通信電路06

1、第六章混頻器混頻器的技術(shù)指標：增益 噪聲 線性 失真有源混頻器：單管混頻 單平衡混頻 雙平衡混頻無源混頻器：二極管混頻 二極管(雙)平衡混頻8/25/20221Information&Communication Engineering Dept. XJTU第六章 內(nèi)容目錄6.1 混頻器概述6.2 有源混頻器電路621 單管跨導型混頻器622 單平衡混頻器623 吉爾伯特雙平衡混頻器6.3 無源混頻器631 二極管混頻632 無源場效應(yīng)管混頻器8/25/20222Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述發(fā)射機上混頻器將已調(diào)制

2、中頻信號搬移到射頻接收機下混頻器將接收到的射頻信號搬移到中頻本振信號： 射頻信號： 相乘得： 基本方法：乘法器濾波器非線性器件濾波器中頻濾波器8/25/20223Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述調(diào)幅接收機混頻器的結(jié)構(gòu)框圖 混頻器結(jié)構(gòu)：三個端口輸入信號、本振信號、中頻信號時域特性輸出、輸入波形相同、載頻不同 混頻本質(zhì)線性頻譜搬移頻域特性輸出、輸入頻譜結(jié)構(gòu)、帶寬相同， 載頻不同8/25/20224Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述混頻電路的實

3、現(xiàn)1. 乘法器2. 非線性器件雙極晶體管場效應(yīng)管二極管為減少組合頻率分量工作于線性時變狀態(tài)混頻器的主要指標 增益 10 dB NF 12 dB IIP3 +5 dBm 輸入阻抗 50口間隔離 10 20 dB 8/25/20225Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述變頻增益=輸出中頻輸入射頻1. 增益射頻口阻抗中頻口阻抗電壓增益功率增益兩者關(guān)系？8/25/20226Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述2. 噪聲討論混頻器噪聲的意義接收機前端，對

4、系統(tǒng)噪聲影響大對射頻而言是線性，可用線性網(wǎng)絡(luò)噪聲計算公式混頻器的噪聲來源電路器件噪聲兩個輸入噪聲射頻輸入本振輸入混頻器的輸出噪聲位于中頻段頻譜搬移低噪放 F1、G1帶通濾波器 F2、G2混頻器F3、G38/25/20227Information&Communication Engineering Dept. XJTU混頻器的單邊噪聲和雙邊噪聲討論射頻噪聲的搬移單邊噪聲 射頻信號位于本振的一邊 被搬移到中頻的噪聲射頻信號段鏡像頻段雙邊噪聲射頻信號位于本振的兩邊不存在鏡像頻率（如零中頻方案）單邊噪聲是雙邊的兩倍（高3dB）8/25/20228Information&Communication En

5、gineering Dept. XJTU61 混頻器概述非線性 器件本振 中頻濾波器3. 失真混頻頻譜線性搬移非線性器件平方項非線性器件高次方項產(chǎn)生組合頻率干擾、失真（1）干擾哨聲特征：接收機音頻出現(xiàn)哨叫混頻輸入：僅有有用射頻付波道中頻 主中頻付波道中頻進入檢波（解調(diào)）形成哨叫主中頻：（二次方項）組合頻率（ 次方項 ）8/25/20229Information&Communication Engineering Dept. XJTU（2）寄生通道干擾非線性 器件本振 中頻濾波器主中頻：干擾信號與本振的組合頻率寄生通道干擾最主要的寄生通道干擾 鏡像頻率干擾特征：輸入伴有干擾信號變換能力與主中頻一

6、樣 中頻干擾直通不需要混頻變換能力最強8/25/202210Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述靠得最近的干擾（半中頻干擾） 變換能力： 由非線性器件的4次方引起 0三種比較主要的寄生通道干擾見圖8/25/202211Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述（3）互調(diào)失真非線性 器件本振 中頻濾波器特征：輸入端伴有多個干擾信號但是當組合頻率每個干擾和本振混頻由非線性器件的 次方項 產(chǎn)生互調(diào)干擾稱 三階互調(diào) 滿足或8/25/202212Informa

7、tion&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述4. 線性范圍問題:混頻是一種非線性功能，為什么有“線性”指標？混頻射頻本振中頻混頻器的非線性 輸出、輸入頻率不同混頻器的線性 輸出中頻幅度 輸入射頻幅度 成正比線性指標變頻增益下降1-dB時相應(yīng)的輸入（或輸出）功率值 （1） 1-dB 壓縮點8/25/202213Information&Communication Engineering Dept. XJTU（2）三階互調(diào)截點混頻射頻本振中頻輸入信號有用信號干擾信號（設(shè)輸入信號幅度相同）互調(diào)信號產(chǎn)生 的中頻 主中頻幅度相等，三階截點截點對應(yīng)的輸入

8、、輸出8/25/202214Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述（3）線性動態(tài)范圍定義：1-dB 壓縮點與混頻器的噪聲基底之比，用dB表示混頻器位于低噪放后，因此對它線性范圍要求比低噪放高5. 口間隔離射頻口本振口中頻口本振泄漏影響LNA天線輻射頻率牽引強信號堵塞射頻口 中頻口一般情況射頻中頻，被濾除零中頻方案時低噪放的偶次諧波失真會竄入中頻8/25/202215Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述零中頻方案中，射頻口 中頻口的影響信號強頻率相

9、近射頻輸入為：設(shè)LNA特性為：偶次方項產(chǎn)生的差拍 差拍信號從射頻口 中頻口干擾直通泄漏8/25/202216Information&Communication Engineering Dept. XJTU61 混頻器概述6. 阻抗匹配混頻器低噪放中頻濾波器本振源對混頻器三個口 的阻抗要求 匹配最佳傳輸 每個口對另外兩個口的信號 力求短路 減少口間干擾8/25/202217Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路晶體三極管混頻器三極管混頻器電路如圖，晶體管轉(zhuǎn)移特性和兩個輸入信號分別為：vs和vL均為小信號，用冪級數(shù)展開

10、：8/25/202218Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路vs為小信號，vL為大信號，用線性時變分析法處理，在vBE=VBB+vL處展開iC=f(vBE)，取一階乘冪項，可得：把gm(t)表達式代入iC表達式，得出中頻分量為：定義中頻電流振幅與輸入信號電壓振幅之比為混頻跨導gc,有:8/25/202219Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路討論： （1）gc與VLm有關(guān)。在自給偏壓的作用下，隨著VLm增大，gc還會下降。8/25/

11、202220Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路 （2）gc與VBB有關(guān) VBB過小，截止限制gm1 VBB過大，飽和限制gm1 VBB適中，有最大的gm18/25/202221Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路實際電路電路組態(tài)： 共e，gc大 共b，工作頻率高信號注入方式： 分離在不同極注入，兩個源互相不受影響； 疊加在同一點注入8/25/202222Information&Communication Engineering D

12、ept. XJTU6.2 有源混頻器電路8/25/202223Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路場效應(yīng)管混頻器直流電源和偏置射頻輸入和本振中頻輸出原理電路8/25/202224Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路變頻跨導的求法根據(jù)跨導的定義 求出器件的 關(guān)系曲線 代入混頻器的時變偏置 已知器件的伏安特性曲線 8/25/202225Information&Communication Engineering Dept. XJTU變頻跨

13、導 通過曲線 畫出時變跨導的波形 分析變頻跨導與本振幅度 的關(guān)系的基波分量最大變頻跨導的最大值 變?yōu)榉讲?對 傅氏級數(shù)分解 求出基波分量幅度 8/25/202226Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路單平衡混頻電路單差分對電路 由兩個對稱的共射放大器通過電流源電路耦合實現(xiàn)。其中，各管的b 遠大于1，認為集電極電流與發(fā)射極電流相等，即:其中：228/25/202227Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路由晶體管特性可知：所以：從而同理

14、可得8/25/202228Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路雙端輸出時討論：(1)v1為小信號時（v1=VT=26mV)8/25/202229Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路(2)v1為中信號時（VTv1=10vT)結(jié)論：單差分對電路中可以產(chǎn)生兩信號相乘v1v2，Di與v2呈線性關(guān)系，與v1呈雙曲正切關(guān)系。存在非相乘項，不是理想乘法器。8/25/202231Information&Communication Engineeri

15、ng Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路吉爾伯特雙平衡混頻器電路特點：射頻級改為差分輸入輸出線性放大器本振級改為雙差分對中頻輸出口為平衡輸出8/25/202232Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路靜態(tài)時：動態(tài)時：8/25/202233Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路按v1、v2的大小分三種情況來討論該模擬乘法器輸出。1. v1、v2均為小信號 （ 、 均小于26mV ）結(jié)論：實現(xiàn)了輸入電壓v1、v2 理想相乘輸出頻率幅

16、度成正比缺點： 輸入信號動態(tài)范圍小乘積系數(shù) 與溫度T有關(guān) ，輸出電流簡化為：近似8/25/202234Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路2一個為大信號，一個為小信號Q1、Q2、Q3、Q4工作于開關(guān)狀態(tài) 輸出電流Q5、Q6 線性化Q5或Q6的跨導 輸出電流頻譜：（p =1，3，5）v1與v2 理想相乘項（ ）的電流幅度為：輸出正比于與大信號幅度無關(guān)小信號幅度小信號放大級跨導8/25/202235Information&Communication Engineering Dept. XJTUGilbert 乘法器構(gòu)

17、成雙平衡混頻器 工作模式 射頻小信號本振大信號輸出電流輸出電流頻譜：（p =1，3，5）雙平衡混頻器優(yōu)點： 輸出不含有射頻 和本振 分量口間隔離好 線性范圍較大，問題：如何擴大 的動態(tài)范圍？（1）RF 輸入級是差分放大器， 線性范圍比單管大 （2）輸出采用雙平衡， 抵消了RF級的偶次失真項 原因？8/25/202236Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路電壓關(guān)系電流關(guān)系 其中擴大 動態(tài)范圍的方法射極加負反饋電阻由由8/25/202237Information&Communication Engineering D

18、ept. XJTU6.2 有源混頻器電路乘法器的輸出電流 結(jié)論：輸出電流與輸入電壓 v1 成線性v1的最大范圍為：8/25/202238Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路3. v1、v2 均為大信號 上、下兩對差分對管均工作于開關(guān)狀態(tài) 輸出電流頻譜:8/25/202239Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路 吉爾伯特模擬乘法器典型產(chǎn)品 MC 1596內(nèi)部電路鏡像電流源接反饋電阻接負載接偏置和輸入信號8/25/202240Infor

19、mation&Communication Engineering Dept. XJTU6.2 有源混頻器電路 混頻器三個口的不平衡 平衡的變換8/25/202241Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.3 無源混頻器6.3.1 二極管混頻 1. 線性時變工作狀態(tài)的二極管 二極管的基本特性大信號小信號二極管在大信號激勵下的等效特性結(jié)論：二極管可以看成是受大信號控制的單向開關(guān) 兩段折線 導通時電導為8/25/202242Information&Communication Engineering Dept. XJTU6.3 無源混頻器二極

20、管在大信號作用下的電流大信號決定開關(guān) 的重復(fù)頻率0引入單向開關(guān)函數(shù)則：二極管作為混頻時：8/25/202243Information&Communication Engineering Dept. XJTU大信號（本振 ）決定開關(guān) 重復(fù)頻率線性時變通式為：時變跨導時變靜態(tài)電流跨導曲線重復(fù)頻率為8/25/202244Information&Communication Engineering Dept. XJTU線性時變工作狀態(tài)的二極管的混頻功能 二極管電流時變跨導的基波分量為： 與射頻相乘后的中頻電流為：時變跨導展開式此單二極管混頻器的變頻跨導是 電流頻譜：缺點：口間隔離不好8/25/20224

21、5Information&Communication Engineering Dept. XJTU2. 二極管雙平衡混頻器 思路:采用平衡電路抵消組合頻率環(huán)形混頻器電路結(jié)構(gòu)特點 四只二極管接成環(huán)形 三個端口射頻口不平衡平衡變換本振口不平衡平衡變換中頻口單端8/25/202246Information&Communication Engineering Dept. XJTU從五個方面分析二極管雙平衡混頻器工作原理(1) 等效電路 本振電壓射頻電壓滿足線性時變條件每只二極管端電壓：當 為正時，二極管D1 D2 導通 當 為負時，二極管D3 D4導通 可分別畫出 正、負半周的等效電路8/25/202247Information&Communication Engineering Dept. XJTU當為 正時，二極管D1 D2 導通， D3 D4不導通 列回路方程：解方程得：注意8/25/202248Information&Communication Engineering Dept. XJTU當為 負時，二極管D3 D4導通 二極管D1 D2 不導通 列回路方程并解得：注意兩者系數(shù)相同只是導通時間不同8/25/202249Information&Communication Engineering Dept. XJTU（2）輸出中頻電流取差頻