第六章混频器1

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 t
LO LO
()=cosω射频
RF
信号：v t V t
RF RF
1
[()t()t] LO =cosω−ω+cosω+ω
RF LO RF RF LO RF LO
v 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) RF
v(t)
IF v
RF
v
IF
v v(t)
LO
LO
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：
2
P V/R R
G A=
==2
===2
IF IF L S
P V
2
P V/R R
in RF S L 端口匹配：{R射频口源阻抗
s
R
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1
②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 3
1
G G G
112
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
RF
f
本振信号
LO
有用中频：f=−
LO
IF f f
RF
RF
±=±Δ组合中频：pf qf f F
LO 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 f
m 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= m
f f
LO IF
②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：
f
RF
射频干扰信号：f m、f
1m2
RF---互调干扰如出现组合频率()
rf−≈
m sf f
1m2
()
IF---互调失真
rf−−=
m sf f f
1m2LO
n1
=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 f
2m1
RF
4. 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 RF
f
射频干扰信号和
RF1f
RF
2
f
RF1
f
RF
2
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=f
RF1RF2LO IF
或()
2RF f f f
f−−=
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 f
IF
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> 1
6.2.1 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 V
RF ()=cosω
射频：
RF RF
t小信号v t V
LO ()=cosω
本振：
LO
V>>
LO V
RF
线性时变的两要点：
t
LO
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 RF
V(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 t
m m1LO m2LO
g(t)cos cos2
......
π
π1
1
0∫
m
g
mi
()cos
=
∫g t
g
m
()
=ωi td t ωω
LO LO
g t d t
m
π
2
πLO
−π−π
②线性----漏极电流与小信号成线性i
D
射频小信号输入时，漏极输出电流：
ω
IF i I()()()
D
=+⋅
0t g t v t D
m RF
混频的实现：
滤波
ωRF±ω() g t⋅v t()
1
()()IFωω
ω=
−中频
LO
m RF
RF LO 11
i t=g⋅Vω−ωt=g⋅Vωt
()cos()cos
IF m1RF RF LO m1RF IF
22
1
v t=g R⋅Vωt
()cos
输出中频电压：1
IF m L RF IF
2
输出回路谐振阻抗
V1
A=IF=/=
v g R V V g R
1
变频增益：m L RF RF fc L
V2
RF
I1
g==
fc g
IF
m
定义：1---变频跨导---射频电压变中频电流能力V2
RF
---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i
D
~v GS---平方律特征
及跨导的定义
di g=
D m dv
GS
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
g
m g
m max
②代入混频器的时变偏置
GS=−+
GG LO
v(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 g
m
(t)
g(t)
m
求出基频分量幅度得到变频跨导：
1
g=g
fc m1
2g m1
变频跨导最大值：当V=
GG V
GG
(off)
LO
m g m max V
g(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=
π
m12g m
max
g(t)
的基频分量最大
m
g=π
fc g
m 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
G1
②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
+
iωCωC
RF 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 v
m gs
g---跨导
m
混频器----g v
fc gs
g---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V
GG = 0
时变偏置=−=−
v(t)V v(t)v(t)
GS GG LO LO
LO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，R
S
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
2
③射频信号接在
靠近源极的栅极G
上
1
④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)
LO
②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)
RF
1管工作在可变电阻区（条件v
DS1
足够小）
②FET
i≈β−
D1n(v GS V GS th)v DS i v=v t
1()1D1
GS RF
1()
与成线性
∂
i
gβn v DS1v(t)
===β
D1
FET1跨导：
1
∂
n LO
v
GS1
g=
---时变跨导---重复频率ωLO
1g(t)
11
g(t)
9混频的实现
i g(t)v g(t)v
==
D11GS11RF
=β=β
v v v v
n DS1RF n LO RF
包含有频率ω−
RFω
LO
---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)
D
FET2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。