混频电路原理与分析

混频管跨导随本振电压V０变化
(4) 混频器的增益 将混频输入电纳和输出电纳归并在输入、输出端的调谐 回路的电容中去，则得到晶体三极管的等效电路如图所示， 图中负载电导gL是输出回路的谐振电导。 由图可以算出
b + + vs gie – – + gcvs goc gL Vi bb
BB 0 BB 0 s
其中f(v0+vBB)是vs=0时仅随v0变化的电流，称 为时变静态电流，f(v0+ vBB)随v0+vBB而变化，称 为时变电导g(t)，电流可以写为 i(t) Io(t)+g(t) vs(t)
将
vBB+v0=VBB+V0mcos0t vs= Vsmcosst
代入式展开并整理，得
I sm g be s2Cb2e bb s Cbe Yic g ic jbic j 2 2 2 Vsm 1 s Cbe bb 1 s2Cb2e bb
输入导纳的电导部分为 g ic
2 g be s C 2c bb b 2 1 s C 2e 2b b b
所用非线性器件的不同，叠加型混频器有下列几种： 1. 晶体三极管混频器 它有一定的混频增益 2. 场效应管混频器 它交调、互调干扰少 3. 二极管平衡混频器和环形混频器 它们具有动态范围大 组合频率干扰少的优点
2)乘积型混频器
乘积型混频器由模拟乘法器 和带通滤波器组成 其实现模型如图所示 设输入信号为普通调幅波
g c (i bb ) 2 CbeCbc 输出导纳中的电导为 g oc g ce 1 (i Cbe bb ) 2
(3) 混频跨导 gc 在混频中，由于输入是高频 信号，而输出是中频信号，二者 频率相差较远，所以输出中频信 号通常不会在输入端造成反馈， 电容Cbc的作用可忽略。另外，gce 一般远小于负载电导GL，其作用 也可以忽略。由此可得到晶体管 混频器的转移等效电路如图所示
i(t) f(v0 VBB ) f 0 VBB )v s (v 1 f n!
( n)
1 2 f 0 VBB )v s (v 2!
n (v0 VBB )v s
由于vs的值很小，可以忽略二次方及其以上各项，则i(t) 近似为 i(t) f(V v ) f'(V v )v
v0
本机
t
fi f
fo
f
振荡器
f0
f
混频前后的频谱关系
vS
vo
ωS
vI
ωo
ωo-ωS
ωo+ωS
2. 为什么要变频？
变频的优点： 1)变频可提高接收机的灵敏度 2)提高接收机的选择性 3)工作稳定性好 4)波段工作时其质量指标一致性好
变频的缺点：
容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰
3. 变频器的分类
晶体管混频器的分析方法
1.幂级数分析法 在小信号运用的条件下，也可以将某些非线性元器件 函数表达式用幂级数函数近似，使问题简化。用这种方法 来分析非线性电路可突出说明频率变换作用，不便于作定 量分析。 i = a0+a1v+a2v2+a3v3+…… 2.变跨导分析法 在混频时，混频管可看着一个参数(跨导)在改变的线 性元件，即变跨导线件元件。
b + s vs – (a) gbe Cbe gcvbe gce bb b cbc c s + Is bb
i
vi –
vs
gbe
Cbe
(b)
(1) 混频输入导纳 混频输入导纳为输入信号电流与输入信号电压之比， 在计算混频器的输入导纳时，可将图所示的等效电路作进 一步的简化。混频器的输入回路调谐于s，输出回路调谐 于1。对频率s而言，输出可视为短路，同时考虑到 Cbe>>Cbc，由此得到输入等效电路如图所示，并可以算出 混频输入导纳为
时变电导
iC b a b b 0 0
" '
变跨导分析法
a
'
a"
v0 v
BE
vBE
由于信号电压Vsm 很小，无论 它工作在特性曲线的哪个区域，都 可以认为特性曲线是线性的(如图上 ab、ab和ab三段的斜率是不同 的)。因此，在晶体管混频器的分析 中，我们将晶体管视为一个跨导随 本振信号变化的线性参变元件。
Cbc I1 I3 bb gcvbe gbe Cbe gce Ii I2 vi
输出等效电路
g c ( i bb ) 2 CbcCbc g c bb i Cbc g ce j 2 1 ( i Cbe bb ) 1 ( i Cbe bb ) 2
而电纳部分（电容）一般总是折算到输入端调谐回路 的电容中去。
(2) 混频输出导纳 混频输出导纳为输出中频电 流与输出电压之比，输出导 + 纳是对中频i 而言在输出端 呈现的导纳。因此，调谐于 v be s 的输入回路可视为短路， 得到输出等效电路如图所示， – 并可算出混频输出导纳为
YOC I i I1 I 2 I 3 g oc jboc Vi Vi
6.5 混频器原理与电路
6.5.1 概述
6.5.2 晶体三极管混频器 6.5.3 混频器的干扰
6.5.1 概
述
1. 混频器的作用与组成 混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一 固定的频率上(常称为中频)，而保持原信号的特征(如调 幅规律)不变。 混频器的电路组成如图所示
vs t
混频器 非线性器件 滤波器 vi t
输出的中频电流振幅Ii与输入高频信号电压的振幅
Vs成正比。若高频信号电压振幅Vsm按一定规律变化，
则中频电流振幅Ii也按相同的规律变化。
晶体管混频器的主要参数
混频器除混频跨导外，还有输入导纳、输出导纳、混 频增益等参数。前述已知在晶体管混频器的分析中，把晶 体管看成一个线性参变元件，因此可采用分析小信号线性 放大器时所用的等效电路来分析混频器的参数。
vs ( t ) Vsm (1 ma cos t ) cos s t
V0 (t ) kv sv 0 (t )
vs(t)
vo(t)
带通
vI(t)
vL(t)
乘积型混频器实现模型
v o ( t ) Vom cos o t
K VsmVom (1 ma cos t )[cos(0 s )t cos((0 s )t ] 2
若中频频率取差频 i o s ， 则混频后输出的中频电流为 i i
g1 其振幅为 I i Vsm 2
g1 Vsm cos(o s )t 2
由上式引出变频跨导gc的概念，它的定义为
gc
输出中频电流振幅I i 输入高频电压振幅 Sm V
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 g1 2
Ii g1 Vsm 2
i c ( I c 0 I cm1 cos 0t I cm 2 cos 2 0t ) ( g o g1 cos 0t g 2 cos 2 0t )Vsm cos s t
i c ( I co I cl cos o t I c 2 cos 2 o t ) ( g 0 g1 cos o t g 2 cos 2 ot )Vs cos s t I co I cl cos o t I c 2 cos 2 o t g1 g1 Vs g o cos s t cos( o s )t cos( o s )t 2 2 g2 g2 cos( 2 o s )t cos( 2 o s )t 2 2
vo(t)
叠加型混频器实现模型
i f (v ) a0 a1v a2v 2 a3v 3
2 对其2次方进行分析： 2v 2 a2 (vs v o )2 a2vs2 a2v o 2a2vsv o a
在二次方项中出现了和的相乘项，因而可以得到(0+s)和 (0-s)。若用带通滤波器取出所需的中频成分(和频或差 频)，可达到混频的目的。
5)工作稳定性：主要指振荡器的频率稳定度 上述的几个质量指标是相互关联的，应该正确选择管子的工 作点、合理选择本振电路和中频频率的高低，使得几个质量 指标相互兼顾，整机取得良好的效果。
5. 混频器电路类型
1)叠加型混频器
图示中的非线 性器件具有 如下特性：
vs(t)
v
非线性 器件
i
带通
vI (t)
vs
因Vo>>Vsm使晶体管工作在线 性时变状态，所以晶体管集电极静 态电流ic(t)和跨导gm(t)均随 v o 作周 期性变化。
VBB t 加电压后的晶体管转移特性曲线
由于信号vs 远小于v0 ，可以近似认为对器件的工作状态 变化没有影响。此时流过器件的电流为 i(t) = f(v)= f(v0+ vs+ vBB) 可将v0+ vBB 看成器件的交变工作点，则i(t)可在其工作 点(v0+ vBB)处展开为泰勒级数
bb + + vs – e vbe – gbe Cbe gcvbe GL b C
晶体管混频器的转移等效电路
gc
输出中频电流振幅I i 输入高频电压振幅 Sm V
1 g1 2
g(t ) g 0 g1 cos o t g 2 cos 2o t
g1是在本振电压加入后，混频管跨导变量中基波分量
采用中心频率不同的带通滤波器(0–s)或(0+s)则可 完成低中频混频或高中频混频。
6.5.2 晶体三极管混频器
1. 基本电路和工作原理
T + + L1 C1 ic +
v ce
– – C2 L2 vi
vbe vs
+ + v0 –
– VBB
–
+ VCC
上图为晶体三极管混频器的原理电路。图中，VBB为基 极偏臵电压，VCC为集电极直流电压，L1C1组成输入回路， 它谐振于输入信号频率s。L2C2组成输出中频回路，它谐振 于中频i=o–s。 设输入信号 v s Vsm cos s (t ) ，本振电压 v o Vo cos o t 实际上，发射结上作用有三个电压 v be VBB v o v s
T
2 2 g1 g (t ) cos otdt T T
2
由于g(t)是一个很复杂的函数，因此要从上式来 求g1是比较困难的。从工程实际出发，采用图解法， 并作适当的近似，混频跨导可计为：
Ii 1 gc g1 Vs 2
Ie 1 26 gc 2 fS Ie 1 ( bb ) 2 f T 26
晶体管混频原理电路，其电路组态可归为4种电路形式
+ vs – + vo – (a) + vs – + vo – (c)
fi
+ –
vs
+ vo – (b)
fi
fi
+ –
vs
+ vo – (d)
fi
图(a)电路对振荡电压来说是共发电路，输出阻抗较大，混频时所需本 地振荡注入功率较小，这是它的优点。，可能产生频率牵引现象，这是它的缺点。 图(b)电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，因此， 相互干扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输 入阻抗较小，不易过激励，因此振荡波形好，失真小。这是它的优点。 图(c)和(d)两种电路都是共基混频电路。在较低的频率工作时，变频增 益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作 时(几十MHz)，因为共基电路的截止频率f比共发电路的f要大很多，所以变频 增益较大。因此，在较高频率工作时采用这种电路。
按器件分： 二极管混频器、
三极管变频器、 场效应管混频器、
三极管混频器、 模拟乘法器混频器、
场效应管变频器
按工作特点分： 单管混频、 平衡混频、 环型混频 从两个输入信号在时域上的处理过程看： 叠加型混频器、 乘积型混频器
4. 混频器的性能指标
1)变频(混频)增益： 混频器输出中频电压Vim与输入信号电压Vsm的 幅值之比。 2)噪声系数： 高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。 3)选择性： 抑制中频信号以外的干扰的能力。 4)非线性干扰： 抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。