晶体三极管混频器的设计

*课程设计报告题目：晶体三极管混频器的设计学生姓名： ** 学生学号： ******* 系别：电气信息工程学院专业：通信工程专业届别： 2014届指导教师： ***电气信息工程学院制2013年5月晶体三极管混频器的设计学生：***指导老师：***电气信息工程学院：10级通信工程专业1 三极管混频器的设计内容及要求1.1 设计内容在本次课程设计中采用了Multisim 仿真软件对三极管混频器进行设计及绘制，并模拟仿真。

从理论上对电路进行了分析。

选择合适的预案器件，设计出满足要求的三极管混频器。

1.2设计要求设计一个三极管混频器，要求中心频率为10MHZ ，本振频率为16.455MHZ 。

1.3 混频器工作原理及系统框图一个实际应用中调幅收音机的混频电路的主要功能是使信号自某一频率变换成另外一个频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。

它能将高频载波信号或已调波信号进行频率变换，将其变换为频率固定的中频信号。

而变换后的信号，它的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。

混频电路的类型较多，常用的模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环形混频器、三极管混频器等。

其中三极管混频器最为常用，其工作原理图如下：f 中 图1 系统原理图从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路和中频滤波网络，各部分独立工作。

本地振荡器产生稳定的振荡信号(设其频率为L f ),输入的高频调幅波信号（设其频率为C f ），由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生C L f f +、C L f f - 频率的信号，然后通过中频滤波网络，取出C L f f - 频率的信号，调节好 L f 、C f 的大小使其差为中频频率，即所需要的中频信号6.455MHZ 。

以下是混频前后的波形图和混频前后的频谱图：图2混频前后的波形图如上波形图可以看出，混频器上加了两个信号：输入调幅信号V S (t)和本振信号V L (t)，经过变频后，输出中频信号V I (t)。

输出的中频调幅波输入的高频调幅波调幅规律完全相同，唯一差别就是频率不同。

图3组成模型混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移，如图3所示。

图4混频前后的频谱图若设输入调幅信号V S (t),相应的频谱如图4（b ）所示，当L f >C f 时，相乘器的输出电压频谱如图4（c ）所示，即将V S (t)的频谱不失真地搬移到本振角频率w c 的两边，一边搬移到(C L ωω+)上，构成角频率为(C L ωω+)的调幅信号；另一边搬移到(C L ωω-)上，构成角频率为(C L ωω-)的调幅信号。

若令)(C L I ωωω-= ，则前者为无用的寄生分量，而后者则为有用的中频分量。

因此调谐在I ω上的带通滤波器的频带宽度应大于或等于输入调幅信号的频谱宽度。

1.4三极管混频器的设计方案本课程设计我的电路是用10MHZ 的交流信号电压源、本振电路（产生16.455MHZ ）、三极管混频器电路以及选频电路组成。

信号源所产生的10MHZ 的正弦波与本振电路所产生的16.455MHZ 正弦波通过三极管进行混频后产生和频、差频信号及其它频率信号，然后通过滤波网络滤掉不需要的频率分量，取出差频（6.455MHZ ）的信号，即为所需的6.455MHZ 信号。

2 电路设计及其原理分析2.1本地振荡电路本地振荡电路是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。

其作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高频调幅信号通过混频电路得到C L f f +、C L f f -的信号，其中L f 为本地振荡器产生的正弦信号频率，C f 为输入的高频调幅波信号频率，通过中频滤波器得到中频信号C L f f -。

即本地振荡器主要是产生一个正弦高频信号，若振荡器不能够稳定的工作，就会使产生的中频信号不稳定，为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这里采用高稳定度的西勒振荡器。

2.1.1振荡器起振条件正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。

反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。

所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。

负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。

本设计中用的是反馈式振荡器，图5即为LC 三点式反馈式振荡器的原理图。

通过我们对高频电路的学习知道，三点式振荡电路的组成法则是：交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出端点相连接，其中与发射极相接的为两个同性质电抗，而另一个（接在集电极与基极间）为异性质电抗。

图5三点式振荡器的原理电路2.1.2电路及电路参数的选择如图6所示，此次设计的本振电路采用的是西勒振荡器，它是改进型电容三点式振荡器，其主要特点是在回路电感L 两端并联了可变电容C4，而C3为固定值电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，回路总等效电容为：434)312111(1C C C C C C C +≈+++= .................1.2.1 振荡频率为：)43(2121C C L LC f +≈≈ππ...............1.2.2图6本地振荡电路图7交流等效电路根据西勒振荡电路的特点，C3的大小对电路性能有很大影响。

因为频率是靠调节C4来改变，所以C3不能过大，否则振荡频率主要由C3和L 决定，因为将限制频率调节的范围。

此外，C3过大也不利于消除晶体管极间电容的影响。

在西勒振荡电路中，L 和C1-C4的值可用式（1.2.1）计算出，不过若L 与C 的比值太小的话，在低频下难以振荡。

有大致的标准，即振荡频率为1MHZ 时，L 在10uH 以上；10MHZ 时L>1uH 。

另需注意C1、C2的大小，若C2/C1太小，波形就会受限制，同时也会增加输出波形中的高次谐波。

反之，若太大，不能够完全补偿振荡电路的损耗而停振。

又由于本电路要产生16.544MHZ 的信号，所以L f =16.455MHZ 即455.1621==LC f πMHZ综上所述，可以取值C1=60PF,C2=120PF,C3=30PF,C4=18PF,L2=2.5uH 其它主要器件的参数如下，C 5=300PF 为基极耦合电容，R 3=100用来限制射极电流，R1=12K,R2=2K 为基极偏置电阻，用来给三极管确定一个合适的静态工作点，L1为高频扼流圈。

2.2混频电路三极管混频器的特点是电路简单，有较高的变频增益，要求本振电压幅度较小，当信号电压较大时会产生非线性失真。

2.2.1混频原理电路图8是三极管混频器的原理电路。

图中，L 1C 1为输入信号回路，调谐在C f上。

L 2C 2为输出中频回路，调谐在I f 上。

本振电压t V L Lm L ωνcos = 接在基极回路中，0BB V 为基极静态偏置电压，由图可见，加在发射结上的电压 S L BB BE ννν++=0V 。

若将（LBB V ν+0）作为三极管的等效基极偏置电压，用)(t BB ν 表示,称之为时变基极偏压，则当输入信号电压t V c sm S ωνcos =很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流 S L m L C BE C g I f i νννν)()()(0+≈≈图8三极管混频器的原理电路在时变偏压作用下，)(L m g ν的傅里叶级数展开式为+++==t g t g g t g g L L m m m L m ωων2cos cos )()(210)(t g m 中的基波分量t g L m ωcos 1与输入信号电压S ν相乘=⋅t V t g c sm L m ωωcos cos 1])cos()[cos(211t t V g c L c L sm m ωωωω++- 令)(C L I ωωω-=，得到的中频电流分量为==t I i I I ωcos Im =t V g I sm m ωcos 211t V g I sm mc ωcos 其中 1Im21m sm mc g V I g == 称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值Im I 对输入信号电压幅值sm V 之比，其值等于)(t g m 中基波分量的一半。

若设中频回路的谐振电阻为R e ，则所需的中频输出电压 e R I I i -=ν， 相应的混频增益为e Im R mc smC g V V A -== 综上所述，在满足线性时变条件下，三极管混频电路的混频增益与mc g 成正比。

而mc g 又与Lm V 和静态偏置有关。

2.2.2设计电路及电路参数选择如图9为晶体混频器的设计电路。

电路的输入信号（用10MHZ的信号源代替）与本振电压分别从基极输入和发射极注入。

该电路主要由Q2和6.455MHZ 选频回路（图10）组成。

图9晶体三极管混频电路图10选频电路在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要的振荡信号，这种振荡称为计生振荡。

为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生振荡，在设计电路时加入了C8、C12、L5。

而在信号源连接处加一电容是为了滤波用，如C6、C7、C10。

R4、R5、R6用来确定静态工作点，通过改变电阻R4的值来改变混频器晶体工作点，使其工作在适合的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。

而选频电路的取值：MHZ LC f 455.621==π倒推可得： H F LC ⋅⨯=-81092.607从而通过对结合仿真效果，可取L=3uH ，C=200pF 。

2.3总电路图图11总电路图3 三极管混频器的仿真和调试3.1仿真软件介绍Multisim 软件是迄今为止，在电路级仿真上表现最为出色的软件，有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。

Multisim 软件的前身是加拿大IIT(Electronics Workbench)，后来，EWB 将原先版本中的仿真设计模板更名为Multisim ，之后又相继推出了Multisim2001、Multisim7等各个版本。

2005年后，加拿大IIT 公司隶属于美国国家仪器公司（National Instrument ，简称NI 公司），美国NI 公司于2005年12月首次推出Multisim9版本。

Multisim9最大的改变就是将Multisim 的计算机仿真与虚拟仪器进行了完美的结合。

2007年初该公司又推出了NI Multisim10版本。

相对于其它EDA 软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。