高頻電子線路-9

第九章變頻電路

第一節(jié)概述第二節(jié)晶體三極管混頻器第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管混頻器第四節(jié)二極管混頻器第五節(jié)模擬乘法器混頻器第六節(jié)混頻器的干擾與失真本章教學(xué)主要內(nèi)容：一、掌握變頻電路的功能及組成。二、掌握典型混頻器的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)。三、了解變頻干擾的來源和抑制方法。本章教學(xué)基本要求：第一節(jié)概述一、變頻電路的功能（一）變頻電路的功能是將已調(diào)波的載頻變換成固定的中頻頻率，而保持其調(diào)制規(guī)律不變。（二）由于是線性頻譜搬移電路，對(duì)于調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波通過變頻電路后，仍然是調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波。（三）功能的時(shí)域和頻域表示法。圖9-1變頻電路的功能

（四）變頻電路的主要應(yīng)用之一是用于超外差接收機(jī)中，將高頻載頻變換成固定中頻載頻信號(hào)，然后通過高性能的中頻放大器進(jìn)行放大，使整個(gè)接收機(jī)靈敏度和選擇性大大提高。圖9-1是以輸入為普通調(diào)幅波為例表示的輸入輸出波形以及輸入輸出的頻譜。第一節(jié)概述圖9-2變頻器的組成（一）變頻器是由混頻器和本機(jī)振蕩器兩部分組成。（二）混頻器是由輸入回路、非線性器件和帶通濾波器組成。（三）非線性器件用于頻率變換。常用的非線性器件有晶體三極管、二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、差分對(duì)管和模擬乘法器等。二、變頻器的組成（四）輸入信號(hào)與本振信號(hào)通過非線性器件后會(huì)產(chǎn)生很多新的頻率分量。其中含有的項(xiàng)就含有中頻分量。例如,則中含有和的頻率成分。通過帶通濾波器可選出其中之一，稱其為中頻頻率。若帶通濾波器取稱高中頻。若帶通濾波器取稱低中頻。第一節(jié)概述三、變頻器的技術(shù)指標(biāo)（一）變頻增益1．變頻電壓增益

2．變頻功率增益（二）選擇性，（通常用矩形系數(shù)表示）

（三）噪聲系數(shù)（四）失真與干擾（五）因?yàn)槎际歉哳l，用帶通濾波器不可能取出，只能根據(jù)實(shí)際需要選低中頻或高中頻。第二節(jié)晶體三極管混頻器一、晶體三極管混頻器的工作原理圖9-3混頻器原理性電路（一）圖9-3是晶體三極管混頻器的原理電路。其中為直流偏置電壓，為輸入信號(hào)，為本振信號(hào)。集電極回路調(diào)諧于中頻。第二節(jié)晶體三極管混頻器圖9-4一個(gè)大信號(hào)和一個(gè)小信號(hào)同時(shí)作用于非線性元件（二）電路的輸入條件是，為小信號(hào)；，為大信號(hào)。這樣，晶體三級(jí)管的集電極電流是在和的共同作用下產(chǎn)生的。如圖9-4所示。晶體三極管在和的作用下是工作于非線性狀態(tài)。而對(duì)于來說，由于很小，可以認(rèn)為是在的作用下，晶體管的工作點(diǎn)在變化。在每一個(gè)工作點(diǎn)，對(duì)來說都是工作于線性狀態(tài)，只不過不同的工作點(diǎn)其線性參量不同。這種隨時(shí)間變化的參量稱為時(shí)變參量。第二節(jié)晶體三極管混頻器（三）晶體三極管混頻器的時(shí)變參量分析1．混頻器的時(shí)變參量表示式晶體三極管的，正向傳輸特性為因?yàn)榈闹岛苄?，在的變化范圍?nèi)正向傳輸特性是線性的。所以，可以將函數(shù)在時(shí)變偏壓上展開成泰勒級(jí)數(shù)，則對(duì)于小信號(hào)，其高階導(dǎo)數(shù)很小，可近似為

式中，為時(shí)集電極電流；為時(shí)晶體三極管的跨導(dǎo)。因?yàn)閷?duì)的影響遠(yuǎn)小于對(duì)的影響，于是第二節(jié)晶體三極管混頻器2．輸入后產(chǎn)生的混頻電流在輸入信號(hào)作用下，集電極電流為由于本振電壓為大信號(hào)，工作于非線性狀態(tài)，和g均隨變化呈非線性，則式中，分別為時(shí)集電極電流中的直流、基波、二次諧波分量的幅值及跨導(dǎo)的平均分量、基波和二次諧波分量的幅值。第二節(jié)晶體三極管混頻器4．混頻器的變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo)是輸出中頻電流振幅與輸入高頻信號(hào)振幅之比，即在數(shù)值上變頻跨導(dǎo)是時(shí)變跨導(dǎo)的基波分量的一半，可以通過的基波分量來求變頻跨導(dǎo)3．通過帶通濾波器取出中頻若中頻頻率取差頻，則混頻后通過帶通濾波器輸出中頻電流為其振幅為。表明中頻電流振幅與高頻輸入信號(hào)振幅成正比。若輸入信號(hào)為調(diào)幅波，，則輸出中頻電流為第二節(jié)晶體三極管混頻器圖9-5混頻器等效電路二、晶體三極管混頻器的等效電路

◆由于本振電壓為大信號(hào)，對(duì)于輸入信號(hào)為小信號(hào)來說可以等效為時(shí)變參量的線性電路。可用圖9-5所示電路等效?！糨斎牖芈氛{(diào)諧于，輸出回路調(diào)諧于，等效電路各參量可根據(jù)定義和混合等效電路求出。變頻電壓增益變頻功率增益當(dāng)相等時(shí)，輸出回路匹配，變頻功率增益最大。

第二節(jié)晶體三極管混頻器三、具體電路和工作狀態(tài)的選擇根據(jù)輸入信號(hào)可構(gòu)成共射和共基兩組態(tài)。而對(duì)本振電壓的注入可分從基極注入和發(fā)射極注入兩種組態(tài)，因此有四種組態(tài)。圖9-6混頻器的四種組態(tài)圖（a）對(duì)為共射組態(tài)，輸入電阻高，變頻增益大。對(duì)是基極注入，輸入電阻大，易于起振。但兩者相互影響大，可能產(chǎn)生頻率牽引。圖（b）對(duì)相當(dāng)于共基起振不易，但兩者相互影響小。圖（c）、（d）為共基組態(tài)高頻特性好，上限頻率高。（一）晶體三極管混頻器的四種組態(tài)第二節(jié)晶體三極管混頻器（二）具體電路

圖9-7收音機(jī)變頻電路圖9-7是收音機(jī)中常用的變頻電路。晶體管除了完成混頻任務(wù)外，還兼作本機(jī)振蕩器的振蕩管，為互感耦合的自激振蕩器。本振電壓由電容耦合到晶體管的發(fā)射極。第二節(jié)晶體三極管混頻器（三）工作狀態(tài)的選擇晶體三極管混頻器的參數(shù)隨著管子的工作狀態(tài)變化而變化。工作狀態(tài)是由直流偏壓和本振電壓的幅值來決定。選擇晶體三極管混頻器的原則是變頻功率增益大和噪聲系數(shù)小。變頻功率增益和噪聲系數(shù)的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9-8所示。在100mV左右，在0.3~0.7mA為宜。圖9-9Apc和NF與ULm、IeQ的關(guān)系第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管混頻器圖9-10結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路（一）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路如圖9-9所示。

一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（二）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在飽和區(qū)漏極電流與柵源電壓的關(guān)系

式中，時(shí)的為夾斷電壓。第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（三）混頻原理設(shè)輸入信號(hào)，本振信號(hào)。則式中為場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的值?？傻?/p>

可知，中含有直流、等頻率分量，其中為高中頻和低中頻分量。若選用低中頻的帶通濾波器，則式中，為變頻跨導(dǎo)，其值為。若中頻帶通濾波器中心頻率為，且諧振電阻為，則混頻器輸出電壓為對(duì)于，則第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管混頻器二、雙柵絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻器

（一）原理電路如圖9-10所示

圖9-10雙柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（二）雙柵場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)及特性的表示式1．雙柵絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管具有柵漏極間電容很小，正向傳輸導(dǎo)納較大，且受到雙重控制，很適合于作為超高頻段混頻器。2．雙柵絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)等，在放大區(qū)式中，。其中是由直流偏置及管子本身所決定的常數(shù)。則（三）混頻原理

在輸入信號(hào)，本振信號(hào)時(shí)，漏極電流中含有直流、等頻率分量。經(jīng)帶通濾波器可取出中頻電流輸出中頻電壓為第四節(jié)二極管混頻電路一、二極管平衡混頻和環(huán)形混頻器的優(yōu)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、組合頻率分量少。如果采用肖特基表面勢(shì)壘二極管，它的工作頻率可高達(dá)微波頻段，在通信設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。二、二極管平衡混頻器（一）原理電路如圖9-11所示。圖9-11平衡混頻器原理電路第四節(jié)二極管混頻電路（二）電路條件

1．本振電壓足夠大，晶體二極管工作在受控制的開關(guān)狀態(tài)。2．輸入回路的次級(jí)調(diào)諧于；輸出回路的初級(jí)調(diào)諧于。相當(dāng)于兩個(gè)帶通濾波器。（三）混頻原理分析1．開關(guān)工作狀態(tài)下，流過二極管的電流2．在無帶通濾波的條件下，流過輸出回路的電流為設(shè)，則第四節(jié)二極管混頻電路3．當(dāng)輸出回路調(diào)諧于時(shí)，則輸出中頻電流為是由正向混頻產(chǎn)生的中頻電流和中頻輸出電壓反作用產(chǎn)生的中頻電流之差。

4．當(dāng)輸入回路調(diào)諧于時(shí)，流過輸入回路初級(jí)的電流是是由在輸入回路中產(chǎn)生輸入電流和經(jīng)反向混頻產(chǎn)生輸入電流之差。

（四）混頻器的等效電路1．等效電路圖9-12二極管開關(guān)混頻器等效電路由的關(guān)系式得出，其中。第四節(jié)二極管混頻電路由于混頻器等效電路是對(duì)稱的型雙口網(wǎng)絡(luò)，其特性電導(dǎo)的定義是在輸出端接入時(shí)，從輸入端看輸入電導(dǎo)為。同樣，當(dāng)在輸入端接入時(shí)，從輸出端向里看的輸出電導(dǎo)為。因而。全匹配條件，此時(shí)能獲得最大的功率傳輸。3．全匹配條件F的變頻功率增益2．混頻器工作于全匹配的條件第四節(jié)二極管混頻電路三、二極管環(huán)形混頻器（一）原理電路如圖9-13所示

圖9-13環(huán)形混頻器第四節(jié)二極管混頻電路1．本振電壓足夠大，使D1、D2、D3、D4處于開關(guān)工作狀態(tài)。本振電壓正半周，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止，其開關(guān)函數(shù)為。本振電壓負(fù)半周，D1、D2截止，D3、D4導(dǎo)通，其開關(guān)函數(shù)為。2．輸入回路的次級(jí)調(diào)諧于，輸出回路的初級(jí)調(diào)諧于。相當(dāng)于兩個(gè)帶通濾波器。（三）原理分析

1．在本振信號(hào)正半周，D1和D2組成平衡混頻器2．在本振信號(hào)負(fù)半周，D3和D4組成平衡混頻器3．無帶通濾波條件下，輸出電流（二）電路條件

第四節(jié)二極管混頻電路4．有帶通濾波器時(shí)，選出中頻電流5．無帶通濾波條件下，輸入電流6．有帶通濾波器時(shí)，選出輸入電流環(huán)形混頻器與平衡混頻器相比，增加了兩個(gè)二極管，其輸出中頻電流和輸入電流都增大二倍。同時(shí)在輸出電流中進(jìn)一步抵消了等分量。因而其應(yīng)用較為廣泛。（四）結(jié)論第五節(jié)模擬乘法器混頻器圖9-14MC1596構(gòu)成混頻器第五節(jié)模擬乘法器混頻器◆本振信號(hào)加到8端，7端交流接地。◆外來輸入信號(hào)加到1端?！?、9端分別接100MH電感到電源，對(duì)于工作頻率等效為電阻?！艋祛l器的中頻濾波器的中心頻率為9MHz。◆輸入信號(hào)約為1.5mV，本振電壓約為100mV。第六節(jié)混頻器的干擾與失真一、信號(hào)與本振的組合頻率干擾（干擾哨聲）

（一）信號(hào)頻率與本振頻率通過非線性器件產(chǎn)生的頻率

1．若非線性特性為，而，則會(huì)產(chǎn)生直流。2．的頻率分量是混頻時(shí)，必須要有的項(xiàng)，因低中頻，高中頻。故非線性特性中必須有的乘積項(xiàng)。而帶通濾波器應(yīng)根據(jù)需要濾除其中的一個(gè)中頻，例如選低中頻應(yīng)濾除，選高中頻應(yīng)濾除。3．非線性特性的三次方及其以上項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率式中，，p、q為正整數(shù)或零。第六節(jié)混頻器的干擾與失真（二）信號(hào)頻率與本振頻率的組合頻率干擾的條件

1．當(dāng)滿足時(shí)，這個(gè)組合頻率將會(huì)與正常的一道通過中頻帶通濾波經(jīng)中頻放大器放大后送給檢波器。2．由于二者差頻不大為音頻，則送給檢波器會(huì)產(chǎn)生差拍檢波，產(chǎn)生音頻實(shí)現(xiàn)干擾常稱干擾哨聲。3．舉例：超外差接收機(jī)的中頻頻率，當(dāng)某電臺(tái)發(fā)射載頻時(shí)，正常的變頻過程是。但是由于非線性特性有三次方項(xiàng)，則。二者都可以通過中頻帶通濾波進(jìn)行中頻放大，然后經(jīng)檢波器會(huì)產(chǎn)生1kHz的差拍檢波在終端揚(yáng)聲器產(chǎn)生干擾哨聲。（三）產(chǎn)生這樣干擾的原因非線性特性有三次方及以上項(xiàng)。（四）減小這種干擾的方法1．選取理想二次方特性的場(chǎng)效應(yīng)管或模擬乘法器作混頻器；2．采用二極管開關(guān)平衡混頻方式；3．對(duì)晶體三極管混頻器的本振信號(hào)選為大信號(hào)，也能減小干擾。第六節(jié)混頻器的干擾與失真二、外來干擾與本振組合頻率干擾（副波道干擾）（一）在混頻器的輸入回路選擇性不好的條件下，除正常輸入信號(hào)外，還有些其它頻率的強(qiáng)干擾信號(hào)通過輸入回路進(jìn)入混頻器，統(tǒng)稱為外來干擾信號(hào)。外來干擾頻率通過非線性器件產(chǎn)生組合頻率。（二）在接收某一給定信號(hào)頻率時(shí)，接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)本振頻率，若取低中頻，則，由于輸入回路選擇性不好會(huì)有強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器，其頻率與本振的組合頻率只有和有可能通過的中頻帶通濾波器，若滿足或會(huì)產(chǎn)生干擾，稱為副波道干擾。1．當(dāng)時(shí)，稱為中頻干擾。（三）中頻干擾2．產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器通過非線性特性的一次方項(xiàng)，相當(dāng)于放大由中頻選頻回路輸出，產(chǎn)生中頻干擾。3．減小中頻干擾的方法提高輸入回路的選擇性，還可在混頻器輸入端增加一個(gè)中頻LC串聯(lián)陷波電路減小中頻干擾。第六節(jié)混頻器的干擾與失真1．當(dāng)時(shí)，為正常接收。而稱為鏡象頻率干擾。3．減小鏡象頻率干擾的方法提高輸入回路的選擇性，選用高中頻可減小鏡象頻率干擾。（五）副波道干擾1．當(dāng)且滿足，稱為副波道干擾。2．產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，在正常接收信號(hào)頻率時(shí)有一對(duì)應(yīng)的，有一強(qiáng)干擾頻率進(jìn)入混頻器與本振混頻，由于三次方及以上項(xiàng)產(chǎn)生的或，則會(huì)通過中頻帶通濾波器輸出，產(chǎn)生副波道干擾。3．減小副波道干擾的方法提高輸入回路的選擇性，減小非線性特性的三次方及以上項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率，采用二極管平衡混頻、模擬乘法器混頻或具有理想平方律特性的場(chǎng)效應(yīng)管混頻器。

（四）鏡象頻率干擾2．產(chǎn)生原因輸入回路選擇性不好，的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器，由非線性的二次方項(xiàng)產(chǎn)生的鏡象頻率干擾。第六節(jié)混頻器的干擾與失真三、交叉調(diào)制干擾（一）在輸入回路的選擇性不好的條件下，在接收正常調(diào)幅信號(hào)的同時(shí)也有另一干擾調(diào)幅信號(hào)進(jìn)入混頻器。在非線性特性有四次方及以上項(xiàng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制。其特征是，當(dāng)接收的正常信號(hào)存在時(shí)有干擾，而接收的正常信號(hào)消失時(shí)，干擾也消失。（二）交叉調(diào)制產(chǎn)生的原理作用在輸入端的電壓有信號(hào)電壓干擾電壓本振電壓代入非線性特性表示式中，其中中的四階產(chǎn)物中的項(xiàng)中的項(xiàng)就是交調(diào)產(chǎn)物。說明傳送的除正常信息外，還有干擾信息及其諧波。2．交叉調(diào)制干擾實(shí)質(zhì)上是通過非線性作用將干擾信號(hào)的包絡(luò)解調(diào)出來，而后調(diào)制到中頻載頻上去。沒有正常信號(hào)干擾也就不存在。1．設(shè)三極管混頻器的非線性特性為

第六節(jié)混頻器的干擾與失真（三）交叉調(diào)制干擾產(chǎn)生的原因輸入回路選擇性不好，有調(diào)幅的強(qiáng)干擾信號(hào)輸入，在非線性特性的四次方及以上項(xiàng)。（四）減小交叉調(diào)制干擾的方法提高輸入回路的選擇性，減小非線性特性的四次方及以上項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率，采用二極管平衡混頻、模擬乘