三極管混頻器與集成混頻電路

三極管混頻器與集成混頻電路第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日§3-1模擬相乘器一、基本特性二、

模擬相乘器的實現(xiàn)方法三、二極管相乘器四、晶體管相乘器五、集成模擬相乘器六.電流模相乘器七.集成MOS模擬相乘器八.相乘器的應(yīng)用第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日第三章模擬相乘器和混頻器§3-1模擬相乘器一、基本特性1.基本概念含義：可實現(xiàn)任意兩個互不相關(guān)模擬信號相乘的三端口的非線性電子器件

（AM為相乘增益，亦稱比例系數(shù)或標尺因子）第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日工作區(qū)域單象限二象限四象限2．傳輸特性直流和低頻傳輸特性零輸入響應(yīng)：零輸入狀態(tài)時，是非零的輸出，存在誤差電壓（輸出失調(diào)電壓和饋通誤差電壓）●直流傳輸特性（一個輸入為直流時）●平方律特性（）●非線性傳輸特性正弦信號傳輸特性第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日3．誤差分析誤差引起誤差原因：二．模擬相乘器的實現(xiàn)方法二極管相乘器技術(shù)●四分之一相乘技術(shù)●三角波相乘技術(shù)●對數(shù)反對數(shù)相乘技術(shù)●脈沖高度寬度的相乘技術(shù)●可變跨導的相乘技術(shù)（晶體管）●第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日三、二極管相乘器(二極管平衡相乘器、二極管雙平衡（環(huán)形）相乘器)1．分析方法――開關(guān)函數(shù)分析余弦型若i單向正相余弦開關(guān)函數(shù)

ii單向反相余弦開關(guān)函數(shù)iii雙向開關(guān)函數(shù)第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日正弦型若i單向正相正弦開關(guān)函數(shù)ii單向反相正弦開關(guān)函數(shù)iii雙向開關(guān)函數(shù)★大信號控制二極管開關(guān)工作，二極管等效導通電阻RD與開關(guān)K串聯(lián)。2.二極管平衡相乘器電路及特點第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日電路●特點：●v1(t)=V1msinω1tv2(t)=V2msinω2ta)D1、D2為近似理想開關(guān)二極管

b)v1同相加到D1、D2上，v2反相加到D1、D2上

c)Tr1二次與Tr2一次繞組具有中心抽頭，并上下嚴格對稱

d)電流差分輸出i=iD1-

iD2

第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日工作原理

V1m>>V2m

V1m>>VD(on)

v1控制D1、

D2開關(guān)工作若v1>0，D1、D2導通；若v1<0，D1、D2截止根據(jù)等效電路，可以列出回路方程求得●●第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日

實現(xiàn)相乘條件應(yīng)在RL兩端并上LC帶通濾波器(滿足中心頻率諧振在

)

3.二極管雙平衡相乘器（環(huán)形相乘器）電路及特點在負載上選出●●輸出電壓第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日

電路：

特點：

iD1-D4理想開關(guān)二極管iiTr1次級Tr2初級具有中心抽頭，上下嚴格對稱iiiv1同相，v2反相加到D1、D2或D3、D4上iv差分輸出●●第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日工作原理實現(xiàn)相乘條件：在RL兩端并上LC帶通濾波器（滿足中心頻率諧振在）●●●●第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日4.二極管環(huán)形組件相乘器：★二極管環(huán)形相乘器與平衡相乘器相比不僅頻譜更純凈，而且相乘效率提高一倍，得到了廣泛應(yīng)用，所以把環(huán)形電路接成環(huán)形電路組件。

電路：●工作原理由同學自己完成?！瘛竦?3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日四.晶體管相乘器1．差分特性分析法

電路：●第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日差分特性，●●●對近似方法

①若V1m<26mv，

②若26mv<V1m<260mv

③若V1m≥260mv，雙曲正切函數(shù)表示第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日欲實現(xiàn)理想相乘時存在的問題:a)相乘增益與溫度T成反比（即AM∝）不穩(wěn)定b)動態(tài)范圍受V1m<26mv的限制2．單差分對管相乘器

電路

工作原理

●●分別在V1m<26mv、26mv<V1m<260mv、V1m>260mv時，對進行頻譜分析討論,通過LC帶通濾波器（中心頻率諧振在

,3dB帶寬為2），即可實現(xiàn)

不失真的相乘?！瘛竦?6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日iV1m>26mv,V2m>26mv無意義，說明必須為小信號a)

交叉地加到T1、T2與T3、T4基極上特點b)

i=iI-iII差分輸出

工作原理分類討論

電路：3．雙差分對管相乘器①電路及其特點●●●●第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日iiV1m<26mv,V2m<26mv實現(xiàn)近似理想相乘iii26mv<V1m<260mv,V2m<26mvivV1m≥260mv,V2m<26mv輸出i經(jīng)LC帶通濾波器，（中心頻率諧振在,）可實現(xiàn)不失真的相乘欲實現(xiàn)理想相乘時存在的問題：i實現(xiàn)理想相乘,要受到V1m<26mv，V2m<26mv的限制ii相乘增益與溫度T2成反比（即AM∝）4．三差分對管相乘器（線性化四象限可變跨導相乘器或模擬相乘器）目的：擴大的動態(tài)范圍，實現(xiàn)任意兩個模擬信號的相乘?？驁D：●●第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日電路●第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日流控吉爾伯特電路電路（由T1～T4、T7、T8構(gòu)成）v'=vBE7–vBE8實現(xiàn)：●●第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日電壓—電流線性變換器電路實現(xiàn)：

；實現(xiàn)方法：分別在差分對管T5、T6與T9、T10的兩個射極間分別加一個大電阻RE2與RE1,實現(xiàn)深度負反饋；優(yōu)點：a)實現(xiàn)任意兩個模擬信號的相乘b)AM=4Rc/Io’RE1RE2與T無關(guān)，所以電路特性穩(wěn)定實現(xiàn)相乘條件：，結(jié)論：；

●3)●●●●第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日五、集成模擬相乘器1.MC1596相乘器(或XFC1596)第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日2.MC1595(或BG314）相乘器電路與工作原理●

內(nèi)部電路第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日外部連接圖工程估算已知：估算：（設(shè)計）a)RE1,RE2:估算時，

工作原理：

v0=AMv1v2，●●●●其中第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日d)R3,R13:e)Rk:c)估算+VCC,-VEE：從V2max,-V2max分別往上，往下估算，遇C-B結(jié)，用2.5V估算，遇B-E結(jié)用0.7V估算，加適當?shù)脑Ａ考纯?。b)Rc:第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日調(diào)零技術(shù)（調(diào)整）電路：(F007為單位倒相增益放大器)調(diào)整：在輸出端接示波器（或計數(shù)器）i)調(diào)零：零輸入狀態(tài)下，使。反復調(diào)）

ii)調(diào)AM

:調(diào)RW4(調(diào)I0')調(diào)整目的：克服輸入輸出失調(diào)電壓引起相乘誤差?！瘛瘛竦?6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日六.電流模相乘器1.概念用電流的分量處理模擬信號的電路稱為電流模電路在電流模電路中晶體管有用的頻率高達fT，具有頻帶寬速度高的傳輸特性2.基本電流模電路形式跨導線性電路（TL電路）電流鏡（CM）與電流傳輸特器（CC）●●●●第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日開關(guān)電流電路（SCC）砷化鎵高速電路（）模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路（AN）支撐電路（SC）3.特點

頻帶寬速度高電路是低阻節(jié)點，極點頻率很高，接近特征頻率fT電路中電流變化影響電壓分量VBE(on)變化很小；向Cbe‘充電電流很大，時間短。

動態(tài)范圍很大電源電壓很低（0.7～1.5V）輸出電流達到（10-9～10-3mA級）●●●●●●●●第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日輸出最大電流受晶體管限制易于實現(xiàn)電流的存貯與轉(zhuǎn)移動態(tài)電流鏡可作為偏置電流，或作為電流1：1拷貝倍乘或整除。廣泛用在開關(guān)電流濾波器、開關(guān)電流A/D、D/A轉(zhuǎn)換器中●●●

便于實現(xiàn)電流與電壓的線性與非線性轉(zhuǎn)換作為電壓——電流線性轉(zhuǎn)換器●第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日非線性失真很小電流傳輸特性影響器件的伏安特性易于處理高精度的模擬信號處理●●4.TL回路原理TL基本概念說明gm是集電極電流線性比例系數(shù)，提出跨導線性TL概念?！玫降?0頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日TL原理：條件：la)有偶數(shù)個PN結(jié)b)順時針排列（CW）個數(shù)=逆時針排列（CCW）個數(shù)

結(jié)論：順時針發(fā)射結(jié)電流密度之積等于逆時針發(fā)射結(jié)電流密度之積l若(ΠJ)Cw=(ΠJ)CCW第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日5.TL回路構(gòu)成電流放大器TL跨導線性回路原理：在一個包含偶數(shù)個正偏發(fā)射結(jié)的閉合回路中，若順時針方向排列的PN結(jié)的數(shù)目等于逆時針方向排列的PN結(jié)的數(shù)目，則順時針方向發(fā)射極電流密度之積等于逆時針方向發(fā)射極電流密度之積★舉例一可變增益電流放大器（與β無關(guān)）第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日已知：輸入管的偏置電流I,差分管偏置電流IE,x為信號電流與偏置電流比值，稱為調(diào)制度，滿足-1<x<1。求：1)差模輸出電流2)差模電流的增益解：λ=1得：第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日說明：若考慮ib1,ib2效應(yīng),得★結(jié)論：電流增益取決于差分管的偏置電流IE與輸入管的偏置電流I的比值，輸入與輸出是線性關(guān)系，與溫度T無關(guān)。ll改變IE或I可調(diào)節(jié)電流增益，所以它為可變增益電流放大單元電路。不受β大小的影響。舉例二可變增益電流放大器（與β有關(guān)）第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日因為舉例三吉爾伯特電流放大器電路結(jié)構(gòu)與例二相似，只有在輸出端將T2、T3集電極，T1、T4集電極連在一起。該增益單元是超高速、超高頻率集成電路形式，適合多級級聯(lián)。電流增益不宜太大，一般為1~10，否則體電阻影響太大?！瘛瘛竦?5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日

DC——0.5~1GHz6.

電流模相乘器

電路：

●第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日例如,圖中T11、T22輸出電流iC11-iC22未加失真抵消電路時是非線性隱函數(shù)加入失真抵消電路：同理：②電流模相乘器比電壓模相乘器性能好，頻帶寬的原因是：采用CB工藝，使fT=1～2.5GHz為了寬頻帶，要減少帶內(nèi)噪聲l為減少v1、v2的V-I變換器的負反饋電阻，減到Rx=Ry=285Ω,所以必須加入失真抵消電路

a)b)減少輸入電壓擺幅c)輸出級采用基本無電壓擺幅的電流模放大器與電壓模相乘器相比較的不同點a)由輸出有擺幅的電壓信號變換成無擺幅的電流信號b)x,y加入失真抵消電路●l第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日1.CMOS四象限相乘器七.集成MOS模擬相乘器第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日①電壓電流變換器工作原理②相乘器的工作原理相乘器輸出電流第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日2.CMOS四象限模擬相乘器第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日八.相乘器的應(yīng)用

在通信電路中應(yīng)用：可以來用相乘器實現(xiàn)混頻、調(diào)幅、同步檢波、乘積型相位鑒頻、乘積型鑒相等。在模擬運算中應(yīng)用：運算放大器與相乘器配合，可以實現(xiàn)除法、乘方、開方、開立方以及各種函數(shù)發(fā)生器等運算。1.2.第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日§3-2混頻器一、混頻概念和實現(xiàn)模式二、晶體管混頻器三、二極管混頻器四、集成混頻器五、組合頻率干擾與非線性失真*六、參量電路第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日§3-2混頻器一、混頻概念和實現(xiàn)模式1.定義混頻是將已調(diào)波中載波頻率變換為中頻頻率，而保持調(diào)制規(guī)律不變的頻率變換過程。fI=fL-fC或fI=fL+fC（其中fI表示中頻頻率，fL表示本振頻率，fC表示載波頻率。一般取差頻）2.框圖與功能（以輸入vs(t)為標準調(diào)幅波為例）框圖第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日中頻調(diào)幅波上下邊帶與原調(diào)幅波上下邊帶是倒置的本地振蕩信號為高頻等幅波（稱為下混頻）（稱為上混頻）●●第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日混頻增益

混頻功率增益3.

混頻器的性能指標非線性器件包括二極管、晶體管、場效晶體管、差分對管及相乘器

中頻帶通濾波器中心頻率諧振在ωI，BW3dB=2Ω（以單音vΩ的調(diào)幅信號為例）混頻是實現(xiàn)頻譜的線性搬移

減少非線性失真的各種組合頻率干擾（選擇器件特性接近平方律或近似理想相乘器）中頻輸出回路有良好的選擇性（理想為矩形濾波）●●●●●●

功能第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日工作穩(wěn)定性：主要是本振頻率穩(wěn)定，才能保證中頻頻率穩(wěn)定混頻噪聲系數(shù)盡量小4.混頻器的類型：晶體管混頻器、場效晶體管混頻器、二極管平衡混頻器、二極管環(huán)形混頻器及集成模擬混頻器等二、晶體管混頻器工作原理：（輸入高頻信號）（本地振蕩信號）（中頻頻率）1.電路與工作原理：●

電路●●●第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日2.分析方法（有開關(guān)函數(shù)法、等效線性時變系統(tǒng)分析法，在等效線性時變系統(tǒng)分析法在時變偏置下，對輸入信號vs可采用時變偏置下的小信號諧振放大器的分析方法，稱為等效線性時變系統(tǒng)分析方法分析步驟：a)寫出混頻時變方程b)畫出時變y參數(shù)混頻管等效電路c)畫出混頻器Y參數(shù)折合參數(shù)等效電路●●此僅介紹后一種方法）第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日在工程上，除了gfc以外,其他折合參數(shù)均與靜態(tài)參數(shù)相等，所以分析混頻的問題歸結(jié)為求變頻跨導gfcd)晶體管混頻折合參數(shù)小信號等效電路混頻器輸入電導混頻跨導（變頻跨導）的支流分量——的基波分量的振幅——————第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日3.求變頻跨導gfc的方法

①

gfc的定義：求gfc的方法首先根據(jù)晶體管靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線ic—vBE，求正向傳輸電導gf(v)

～v特性曲線畫出正向傳輸電導曲線在VBB(t)作用下，得到時變跨導gf(t)的波形確定積分上下限用傅里葉級數(shù)求出基波分量的振幅gf1

或gfc=gf1/2●●●●●第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日

結(jié)論：三極管混頻器一般采用分壓偏置，當VLm增加到一定值后，由于特性的非線性，會產(chǎn)生自己偏置效應(yīng)，使VBB(t)中的靜態(tài)值VBB(t)向截止方向移動，相應(yīng)的gfc會小于恒定值，有g(shù)fcmax存在，對應(yīng)VLm(opt)靜態(tài)IEQ變化，也會導致gfc的變化，中波收音機約0.2～1mA●●第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日4.晶體管混頻器實際電路基本組態(tài)：vc(t)為信號電壓，vL(t)為本地振蕩電壓電路共發(fā)射極混頻電路●●第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日共基混頻電路對vc、vL分別加在不同的電極上，電路工作穩(wěn)定（經(jīng)常被采用）l對vc、vL均加在同一電極上，對本振呈現(xiàn)較大阻抗，使本地振蕩負載輕，易自激振蕩，相互牽制大。

第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日三、二極管混頻器1.電路

二極管平衡混頻器

電路:VLm>>VSm采用二極管平衡相乘器實現(xiàn)混頻其中vL為本振信號

vL=VLmcosωLt為大信號令vs=Vsm(1+MacosΩt)cosωct為小信號●●●（屬小信號混頻——本地振蕩vL為大信號，輸入高頻信號vS為小信號）第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日i經(jīng)LC中頻帶通濾波器,中心頻率諧振在ωI=ωL-ωc上,實現(xiàn)混頻：(RL>>RD)二極管環(huán)形混頻器電路:其中vL為本振信號vL=VLmcosωLt令vs=Vsm(1+MacosΩt)cosωctVLm>>VSm●●●●BW3dB=2Ω第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日由兩個二極管平衡混頻器構(gòu)成a)vL控制D1、D2開關(guān)函數(shù)為K1(ωLt)，iI=b)vL控制D3、D4的開關(guān)函數(shù)為K1(ωLt-π)，iII=i經(jīng)LC中頻帶通濾波器，中心頻率諧振在上,

BW3dB=2環(huán)形組件混頻器(由于環(huán)形的比平衡的更優(yōu)越，所以環(huán)形得到廣泛的應(yīng)用，將它制作為組件)

●●●●第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日電路vL>0時,D2D3導通，D1D4截止vL<0時,D1D4導通，D2D3截止LC為中頻帶通濾波器，中心頻率諧振在BW3dB=2●●●上，第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日此電路作為作業(yè)題，求：①i表示式并分析所含頻譜分量②求輸出電壓vI(t)的表達式2.二極管混頻性能指標

L稱為變頻損耗L值越小，混頻性能越好3.二極管混頻的優(yōu)點電路簡單，噪聲低，組合頻率分量少，工作頻率高，頻帶寬用肖特基二極管，工作頻率可擴展到微波段環(huán)形組件中工作頻率達到幾十kHz～幾GHzlll第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日1.框圖：2.舉例：電路l四、集成混頻器第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日無需在混頻2、3端接負反饋電阻混頻增益高，輸入頻率可高達200MHz～300MHz

3.優(yōu)點：組合頻率少，寄生干擾小對vL沒有要求具有高的混頻增益vs與vL之間隔離好，相互牽制小VIm與VSm有很大的線性動態(tài)范圍五、組合頻率干擾與非線性失真1.組合頻率干擾：若令●●●●●●●●說明第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期日當混頻器輸入端加入v=vL+vS時,由于混頻器件伏安特性i=a0+a1v

+a2v2+a3v3+…的非線性，在i中出現(xiàn)fp,q=|±pfL±qfC|的組合頻率分量。其中只有p

=q=1對應(yīng)的fI=(fL-fC)的分