第六节混频器62
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 tLO LO()=cosω射频RF信号：v t V tRF RF1[()t()t] LO =cosω−ω+cosω+ωRF LO RF RF LO RF LOv 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) RFv(t)IF vRFvIFv v(t)LOLO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：2P V/R RG A===2===2IF IF L SP V2P V/R Rin RF S L 端口匹配：{R射频口源阻抗sR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1②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 31G G G112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RFf本振信号LO有用中频：f=−LOIF f fRFRF±=±Δ组合中频：pf qf f FLO 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 fm 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= mf fLO IF②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：fRF射频干扰信号：f m、f1m2RF---互调干扰如出现组合频率()rf−≈m sf f1m2()IF---互调失真rf−−=m sf f f1m2LOn1=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 f2m1RF4. 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 RFf射频干扰信号和RF1fRF2fRF1fRF2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=fRF1RF2LO IF或()2RF f f ff−−=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 fIF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> 16.2.1 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 VRF ()=cosω射频：RF RFt小信号v t VLO ()=cosω本振：LOV>>LO VRF线性时变的两要点：tLO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 RFV(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 tm m1LO m2LOg(t)cos cos2......ππ110∫mgmi()cos=∫g tgm()=ωi td t ωωLO LOg t d tmπ2πLO−π−π②线性----漏极电流与小信号成线性iD射频小信号输入时，漏极输出电流：ωIF i I()()()D=+⋅0t g t v t Dm RF混频的实现：滤波ωRF±ω() g t⋅v t()1()()IFωωω=−中频LOm RFRF LO 11i t=g⋅Vω−ωt=g⋅Vωt()cos()cosIF m1RF RF LO m1RF IF221v t=g R⋅Vωt()cos输出中频电压：1IF m L RF IF2输出回路谐振阻抗V1A=IF=/=v g R V V g R1变频增益：m L RF RF fc LV2RFI1g==fc gIFm定义：1---变频跨导---射频电压变中频电流能力V2RF---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iD~v GS---平方律特征及跨导的定义di g=D m dvGS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gm gm max②代入混频器的时变偏置GS=−+GG LOv(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 gm(t)g(t)m求出基频分量幅度得到变频跨导：1g=gfc m12g m1变频跨导最大值：当V=GG VGG(off)LOm g m max Vg(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=πm12g mmaxg(t)的基频分量最大mg=πfc gm 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G1②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+iωCωCRF 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 vm gsg---跨导m混频器----g vfc gsg---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VGG = 0时变偏置=−=−v(t)V v(t)v(t)GS GG LO LOLO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，RS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2③射频信号接在靠近源极的栅极G上1④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)LO②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)RF1管工作在可变电阻区（条件vDS1足够小）②FETi≈β−D1n(v GS V GS th)v DS i v=v t1()1D1GS RF1()与成线性∂igβn v DS1v(t)===βD1FET1跨导：1∂n LOvGS1g=---时变跨导---重复频率ωLO1g(t)11g(t)9混频的实现i g(t)v g(t)v==D11GS11RF=β=βv v v vn DS1RF n LO RF包含有频率ω−RFωLO---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)DFET2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。
混频器原理及电路PPT课件
当接收该电台广播时，接收机的本振频率 fL fI fc 1396Kz
由于变频比
fc
fI
931 465
2
可推算出：当 p 1 ，q 2
可gc 构 利U成ICCI用晶第体输 输4管入 出章混高 中所频频 频述器电 电的。压 流时振 振变幅 幅跨导12电g1 路， 由中u如I于频果时输12Ug变出L1R偏电LU置U压cc(电u则t)I为压c集os电：UB极I(tt)电UE流IB(为t )ucLo(ts)It
+ u-c + uL -
VT
fI+F fI fI+F
f
高频调制波 uc ( fc ) 本地振荡信号 uL( fL )
fc
fL f
一个中频输出信号：uI ( fI )
两个输入信号与输出信号之间的关系：输入信号us 与输出信号uI
的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心
频率：其中 fI fL fc
fI
f
L
fL
cos
t
cos I t
ICI cos t cos I t
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双极型晶体三极管混频器基本电路的交流通道 : 共射极混频电路 ：本振信号由基极串联方式注入 本振信号由射极注入
共基极混频电路：
VT +-uc +-uL
(a) VT
+-uc +-uL
(c)
CL C
L
VT
+-uc u+-L (b) VT
第7章--混频器
有源混频器
三极管单平衡混频电路（SBM , Single Balanced Mixer）
有源混频器
吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路
有源混频器
吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路 输出电流为
iout (iC3 iC5) (iC4 iC6) (iC3 iC4) (iC6 iC5)
混频器的主要指标——端口隔离度
表3.4.1 典型的混频器主要参数
指标名称 增益 NF IIP3
输入阻抗
数值 10dB 12dB +5dBm
50
端口间隔离
30-40dB
引言 混频器的主要指标 混频器电路结构 混频器的级联 本章要点
混频器电路结构
下混频器都设计成为线性时变工作状态。 混频电路类型
单二极管混频器
RF直通 |± pfL±fR |
流经二极管的电流iD为
iD
URm cos(Rt)
RD RL
K1(Lt)
U Rm RD RL
cos(Rt)
[
1 2
2
cosLt
2
3
cos3Lt
]
iIF
(t)
RD
1
RL
1
U Rm
cos(RF
LO )t
|fR ± fL|
无源混频器
• 优点： 电路简单 • 缺点： 1) 如果在射频输入信号含有直流分量 ，本振
三极管混频电路 单管混频器 电路结构 单开关采样 电路实现 混频功能
有源混频器
三极管混频电路
即由于该混频管和转移特性曲线具有良好的平方律 特化点为，ic≈因a0+此aa2u1<2b<e。a2，a3<<a2，上述关系式可近似简
《混频器原理与设计》课件
3
LO-RF隔离度
LO-RF隔离度是指本振信号和射频信号
本振抑制度
4
之间的隔离程度。
本振抑制度是指混频器抑制本振信号的
能力。
5
拍频抑制度
拍频抑制度是指混频器抑制拍频信号的 能力。
第五章：混频器实验
实验装置
混频器实验通常需要使用特定的 实验装置和信号发生器。
操作步骤
混频器实验需要按照一定的步骤 进行，确保实验结果的准确性。
2 双晶体混频器电路设
计
双晶体混频器电路通常具 有更高的转换增益和更好 的本振抑制效果。
3 集成混频器电路设计
集成混频器电路具有体积 小、功耗低和可靠性高的 特点。
第四章：混频器性能指标
1
转换增益
转换增益是指混频器输入信号和输出信
端口匹配
2
号之间的功率差异。
端口匹配是指混频器输入和输出端口的频器实验结果进行分析，验 证混频器的性能指标。
第六章：混频器应用案例
航天器通信系统
混频器在航天器通信系统中 起到信号处理和频率变换的 关键作用。
葡萄酒品质检测
混频器可以用于葡萄酒品质 检测中的频率选择和信号处 理。
新能源电车智能充电系 统
混频器在新能源电车智能充 电系统中用于频率变换和充 电控制。
第二章：混频器的工作原理
简介
混频器将两个不同频率的信号进 行混合，产生新的频率差信号。
基本原理
混频器利用非线性元件的特性， 将输入信号进行非线性变换。
本振抑制
混频器通过抑制本振信号，避免 对输入信号的干扰。
第三章：混频器电路设计
1 单晶体混频器电路设
计
设计单晶体混频器电路时 需要考虑元件特性和稳定 性。
第六章 混频器 6-2
S2 (LO t ) 4 cos LOt 4 cos 3LOt 3
分段线性
射频信号与开关函数中各分量相乘
p 得到频率： pLO 、 LO RF
输出电流中包含
p =1，3，5，… 两段折线
本振及本振的奇次谐波 本振各奇次谐波与 射频基波的组合频率
噪声系数（单边）
f LO 2020 MHz
f RF 1950 MHz
8.3dB
f IF 70MHz
本振在中频口泄漏 本振在射频口泄漏 IF/2寄生响应 f IF 70MHz
f LO 1880 MHz f LO 1880 MHz f LO 1880 MHz
f RF 1915MHz
6.2.2 单平衡混频器
电路组成——四部分 ① 由本振信号激励的差分对管 Q2 Q3
② 输出电流受射频信号控制的晶体管Q1 ③ 中频负载RL ④ 直流偏置（图中未画出）
i
电路工作的三个特点 ① Q1 是射频小信号线性放大器 （输入跨导级） ② 差分对 Q2 Q3 是在本振大信号作用下 的轮流导通的双向开关 ③ 当双端输出时，输出电流 是两电流 i 2 和 i3 的差
由 ie I s e 由
ln
q vBE KT
vBE 5 vBE 6
1 2ie / I 0 KT i5 ln VT ln q i6 1 2ie / I 0
1 x 2 2 2 x x3 x5 ...... 1 x 3 5
x 0.5
v1 vRE1
2ie 4VT R 4VT 2VT ie ( RE1 ) E1 I0 I0 I0
qv1 qv2 i I 0 th( ) th( ) 2 KT 2 KT
第6章 混频
f ( E B u 1 ) u s g 0 u s g 1 u s c o s 1 t g 2 u s c o s 2 1 t
第4页，本讲稿共72页
us
混频 器
uo
f
(a )
t
fi t
(b )
f
f
fs
fi
图6.1 混频器功能图
第5页，本讲稿共72页
混频器电路是由信号相乘电路，本地振荡器和带 通滤波器组成，如图6.2所示。信号相乘电路的输入一 个是外来的已调波us，另一个是由本地振荡器产生的等 幅正弦波u1。us与u1相乘产生和、差频信号，再经过带 通滤波器取出差频(或和频)信号ui。
时仅考虑基极电流iB中的信号频率电流
is gi0us gi0Usmcosst
Ism gi0Usm
(6.2―11) (6.2―12)
第21页，本讲稿共72页
根据图6.6可导出三极管混频器的电压增益为
K Vc
功率增益
gc g oc g L
gc gL
K Pc
g
2 c
g L gi0
(6.2―13) (6.2―14)
第12页，本讲稿共72页
6.2 混频电路
6.2.1 三极管混频器 三极管混频器电路如图6.3所示。设外加的信号
us=Usmcosωst，本振电压u1=U1mcosω1t，基极直流偏置 电压为EB，集电极负载为谐振频率等于中频fi=f1-fs的 带通滤波器。忽略基调效应时，集电极电流iC可近似 表示为uBE的函数，iC=f(uBE),uBE=EB+u1+us。
混频器
（3）1dB压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化， 当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性 1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管 特性，一般比本振功率低6dB。
感谢观看
混频器原理（4）动态范围：动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环 境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。
（5）双音三阶交调：如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的 非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常 用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。
简介
变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。
一般用混频器产生中频信号：
混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2
可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号 可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本 振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。
第六章混频器
听到的声音：哨叫——干扰哨声 干扰的原因：组合频率干扰
qfs pfL = fI pfL qfs = fI pfL + qfs ：恒大于fL pfL qfs ：无意义
3. 抑制方法：
组合频率分量电流振幅随 (p + q) 的增加而迅速减小，因 而，只有对应于 p 和 q 为较小值的输入有用信号才会产生明 显的干扰哨声，将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频 段之外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。
② 镜像干扰： fK fc = 2fI ，可以采用两种措施：高中 频方案、二次混频。
a．高中频方案 中频的两种选择方案：
① 低中频方案， fI f 。 优点：fI 低，中频放大器易实现高增益和高选择性； ② 高中频方案， fI f。 如在短波接收机中，接收频段为 2 ~ 30 MHz，中频选 在 70 MHz 附近。由于中频很高，镜像干扰频率远高于有用 信号频率，混频的滤波电路很容易将它滤除。
1. 电路
2. 分析
i (i1 i2 ) (i3 i4 )
2g DU sm
cos
st
(4
cosLt
4
3
cos 3Lt
)
• s 分量被抵消
• 输出中频分量的幅值是平衡混频器的2倍。
• 优点：环形混频器的混频增益和抑制干扰 的能力比平衡混频器优越，在相同条件下， 输出中频电流可比平衡混频器大一倍。
例如，由
fS
p 1 q p
f
，当
I
p
=
0，q
=
1
时干扰哨声强，
相应输入信号频率接近于中频，即 fS fI，因此，将接收机的
中频选在接收频段以外，避免这个最强的干扰哨声。例如，
混频器的工作原理
混频器的工作原理
混频器是一种电子设备，用于将多个频率不同的信号进行混合并输出。
其工作原理主要涉及两个重要的电路：输入电路和混频电路。
输入电路是将多个信号输入到混频器中的电路。
每个输入信号都经过放大器进行放大，然后经过带通滤波器进行滤波，以去除其他频率的干扰信号。
放大后的信号被分配到混频电路中的不同通道。
混频电路是混频器的核心部分，用于将多个输入信号进行混合。
混频电路通常由一对互相垂直的交流耦合晶体管组成。
这两个晶体管的输入端分别连接到输入电路中的两个通道。
当输入信号进入晶体管时，会产生两个相位正交的电流。
这两个电流会通过晶体管中的非线性元件（如PN结）进行非线性混合。
非线性混合会产生新的频率成分，包括两个输入频率之和、差以及其他互调产物。
通过选择不同的晶体管工作点和采用合适的滤波器，可以实现对特定频率的混频输出。
混频输出信号经过放大器进行放大，然后经过低通滤波器去除不需要的高频成分。
最后，混频器的输出信号可以通过调节输入信号的幅度、频率和相位，实现不同频率信号的混合和处理。
这种工作原理广泛应用于无线通信、雷达、广播电视等领域，为多频信号的处理提供了有效的方法。
混频器单平衡混频器教学课件
目录
• 混频器单平衡混频器概述 • 混频器单平衡混频器的电路结构 • 混频器单平衡混频器的性能指标 • 混频器单平衡混频器的调试与维护 • 混频器单平衡混频器的未来发展与展望 • 参考文献
01
混频器单平衡混频器概述
定义与工作原理
定义
混频器单平衡混频器是一种用于 将信号从一种频率转换为另一种 频率的电子设备。
频率转换增益
输入信号经过混频器后， 输出信号与输入信号的频 率关系以及幅度变化。
噪声特性
内部噪声
噪声系数
混频器自身产生的噪声，主要来源于 电路中的热噪声和散粒噪声。
衡量混频器噪声性能的参数，表示信 号通过混频器后信噪比恶化的程度。
外部噪声
混频器对外部环境的噪声抑制能力， 通常用信噪比（SNR）来表示。
应用前景展望
通信领域 随着5G、6G等通信技术的发展 ，单平衡混频器在高频、大带宽 通信系统的应用将更加广泛。
科研与高端制造 在科研和高端制造领域，单平衡 混频器的精密和高效性能使其在 各种高精度测量和制造中具有不 可替代的作用。
雷达与电子战系统 在雷达和电子战系统中，单平衡 混频器的高性能和低成本特性使 其成为关键组件，具有广阔的应 用前景。
物联网与智能家居 物联网和智能家居的快速发展将 推动单平衡混频器在无线连接和 信号处理方面的广泛应用。
06
参考文献
参考文献
[文献1]
01
介绍了单平衡混频器的基本原理，包括其工作方式、电路结构
以及性能特点。
[文献2]
02
详细分析了单平衡混频器的噪声性能，包括内部噪声和外部噪
声的来源及其对系统性能的影响。
用于频率测量和信号分析 。
第六章 混频
iC = iC 0 + [g0 + g1 cos ω0 t + …] [VS cos t cos ωS t ]
= ω0 ωS ; B = 2max
如果输出回路的谐振频率为： 如果输出回路的谐振频率为： I ω 则选出的中频电流iCI为：
1 1 iCI = g1VS cost cos(ω0 ωS )t = g1VS cost cosωI t 2 2
二、二极管混频器
常用的二极管混频器是由两个特性相同的二极管构成的平衡 混频器，其原理电路如下图所示。 混频器，其原理电路如下图所示。 D
vS = VS (t ) cosωct vS + VS (t ) = VS (1 + ma cost ) V0 >> V S
vS
1
+ + v0 D2
L1 C1 L2 C2
v0
vS
乘法器 本地振荡器
带通滤波器
vI
v0
2 max
v 设： S
= [V S cos t ]cos ω S t ; v 0 = V0 cos ω 0 t
ωI
v S v 0 = V SV 0 cos t cos ω S t cos ω 0 t VSV0 cost [cos(ω0 + ωS )t + cos(ω0 ωS )t ] = 滤波后： 滤波后： 2 VSV0 vI = cost cos(ω0 ωS )t = [VI cos t ]cos ω I t 2
晶体管混频器的特点： 晶体管混频器的特点：
晶体管混频器的主要优点是有变频增益，但它存在一些缺点： 晶体管混频器的主要优点是有变频增益，但它存在一些缺点： 1）动态范围小，信号电压正常工作的范围约为几十mV。当信 ）动态范围小，信号电压正常工作的范围约为几十 。 号电压较大时，会产生非线性失真。 号电压较大时，会产生非线性失真。 2）组合频率干扰严重。 ）组合频率干扰严重。 3）噪声较大。二极管噪声比晶体管的噪声小得多。 ）噪声较大。二极管噪声比晶体管的噪声小得多。 4）存在本地振荡辐射问题。在无高放的接收机中，本振电压 ）存在本地振荡辐射问题。在无高放的接收机中， 可以通过混频晶体管的极间电容的耦合从天线辐射出去。 可以通过混频晶体管的极间电容的耦合从天线辐射出去。 因此在高质量通信设备中以及工作频率较高时， 因此在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用二极 管平衡型混频器。 管平衡型混频器。
混频器工作原理详解
混频器工作原理详解混频器是一种电子设备，主要用于将多个频率的信号混合在一起。
它在通信、雷达、广播、电视、无线电及音频等领域中广泛应用。
混频器的工作原理基于非线性元件的特性，其中最常见的非线性元件是二极管。
1.基本原理混频器的基本原理是利用非线性元件的非线性特性，将多个输入信号混合成一个信号。
混频器主要有两个输入端口（RF端口和LO端口）和一个输出端口。
其中RF端口输入射频信号，LO端口输入本地振荡信号（Local Oscillator），输出端口输出两个输入信号的混频信号。
2.输入信号的混合混频器的基本操作是将RF信号和LO信号相乘，得到两个频率分量的和频（Sum frequency）和差频（Difference frequency）信号。
混频器的核心部分是非线性元件，通常是二极管。
当RF信号输入混频器时，它与LO信号结合并通过非线性元件。
由于二极管的非线性特性，它会产生两个新的频率成分，一个是和频信号，频率为RF频率加上LO频率，另一个是差频信号，频率为RF频率减去LO频率。
这两个信号将通过输出端口输出。
3.阻止RF信号通过混频器还有一个重要的功能是阻止RF信号通过。
在通信系统中，LO信号的频率远高于RF信号，因此RF信号会通过LO端口到达射频接收器，引起干扰。
为了阻止RF信号通过LO端口，混频器采用了一个带通滤波器，用于选择只有和频和差频通过，而阻止RF信号通过。
4.选取合适的LO频率混频器的工作效果与LO信号的频率选择有关。
一般来说，LO频率应该选择为RF频率加上或减去一个中频（Intermediate Frequency），以使得差频信号与中频相等。
这样可以方便后续的信号处理和解调等操作。
5.非理想因素混频器在实际应用中会受到一些非理想因素的影响，包括本振泄露（LO Leakage）、直流偏置（DC Offset）、相位不匹配（Phase Mismatch）和幅度不平衡（Amplitude Imbalance）等。
Chapter 6-2 混频
vs
i
vi
vs
gbe
Cbe
– (a)
– (b)
(1) 混频输入导纳
b + s gbe Cbe bb b
Yic
cbc
I sm Vsm
c
g ic jbic bb
Is s + bb
g be * (1 / js Cbe ) g be (1 / js Cbe )
将
vBB+v0=VBB+V0mcos0t vs= Vsmcosst
代入式展开并整理，得
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
vs
V BB t 加电压后的晶体管转移特性曲线
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。
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+vBB+ vs)
若中频频率取差频 i o s ， 则混频后输出的中频电流为
ii g1 2 Vsm cos(o s ) t
其振幅为
Ii
g1 2
Vsm
Ii
g1 2
Vsm
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。 变频跨导gc的定义为:
在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频 率从fs变换为固定fi的过程称为变频或混频。 在接收机中， fi称为中频。一般其值为
第六章混频器
3. 噪声 讨论混频器噪声的意义
接收机前端，对系统噪声影响大 对射频而言是线性，可用线性网络 噪声计算公式 混频器 F3、G3
低噪放 F1、G1
带通滤波器 F2、G2
F F 1
F2 1 F3 1 G1 G1G2
混频器的噪声来源
电路器件噪声
两个输入噪声
射频输入 本振输入
频谱搬移
混频器的输出噪声——位于中频段
2. 变频增益/损耗 输出中频 变频增益 = 输入射频
电压增益
VIF AV Vin
功率增益
PIF GP Pin
射频口阻抗 中频口阻抗
2 PIF VIF / RL 2 RS 两者关系？ G 2 AV P Pin VRF / RS RL
有源混频器——增益大于1
按增益划分混频器
无源混频器——增益小于1
3. 二极管平衡混频器
K 2 2 VRF cos 2RF t 2VRFVLO sin IF t VLO cos 2LOt i1 (t ) i2 (t ) 2
二极管电流的直流分量已经在合成时消去，可得到所需的IF输出
iIF (t ) KVRFVLO sin IF t
(rfm1 sf m1 ) f RF
互调干扰 次方项 产生
f IF
(rf m1 sf m1 ) f LO f IF
由非线性器件的 称
n r s 1
三阶互调 —— 或
rs3
n4
2 f m2 f m1 f RF
满足
2 f m1 f m2 f RF
5. 线性范围
3. 二极管平衡混频器
在RF频率每个端口的电压反射系数为 二极管处反射的RF电压向量为
混频器的工作原理
混频器的工作原理混频器是一种电子器件，它的主要作用是将不同频率的信号进行混合，从而产生新的频率信号。
混频器在无线通信、雷达、射频识别等领域都有着广泛的应用。
在这篇文档中，我们将介绍混频器的工作原理，以及它在电子领域中的重要作用。
首先，让我们来了解一下混频器的基本结构。
混频器通常由两个输入端和一个输出端组成。
其中一个输入端接收高频信号，另一个输入端接收本地振荡器产生的低频信号。
当这两个信号输入到混频器中时，它们会相互作用，产生新的频率信号。
这个新的频率信号通常是原始信号频率的和、差或者乘积。
混频器的工作原理可以用数学公式来描述。
假设高频信号的频率为f1，低频信号的频率为f2，那么混频器输出的频率可以表示为f3=f1±f2，其中加号和减号取决于混频器的类型。
这样，我们就可以通过混频器来实现频率的转换和信号的处理。
混频器在无线通信中起着至关重要的作用。
例如，在调频调幅调制中，我们需要将信号的频率进行调整，以便进行信号的传输和接收。
混频器可以实现信号的频率转换，从而满足不同频率的信号处理需求。
此外，混频器还可以用于频谱分析和信号检测，帮助我们更好地理解信号的特性和行为。
除了在无线通信领域，混频器还在雷达和射频识别中发挥着重要作用。
在雷达系统中，混频器可以实现信号的频率变换和处理，帮助我们更准确地探测目标的位置和速度。
在射频识别系统中，混频器可以帮助我们对不同频率的信号进行识别和分析，从而实现对无线电频谱的监测和管理。
总之，混频器作为一种重要的电子器件，在无线通信、雷达、射频识别等领域都有着广泛的应用。
它的工作原理简单清晰，通过对不同频率信号的混合，产生新的频率信号，从而实现信号的处理和转换。
混频器的发展和应用，为电子技术的发展和进步提供了重要支持和保障。
混频器单平衡混频器教学课件
总结与展望
本课程介绍了混频器的定义、单平衡混频器的作用和工作原理、电路结构、优缺点和实际应用。 期望能对大家有所帮助，感谢您的观看。
单平衡混频器实际应用
通信系统
• 单平衡混频器经常 用于平面射频电路 和通信系统中。
• 在多路收发信号开 始时，用于混频和 转频。
雷达系统
• 在雷达系统中，单 平衡混频器用于解 调和接收雷达信号。
• 使雷达系统的分辨 率更高，检测到具 有更高分辨率的目 标。
无线电制造
• 单平衡混频器也被 广泛用于生产无线 电和电视设备中。
接口
混频器通常具有多种输入和 输出接口，如XLR、1/4英寸 插口、RCA插孔等。
单平衡混频器的作用
混合信号
单平衡混频器可用于混 合两个频率不同的信号， 因此在电视和广播等领 域有着广泛的应用。
减少噪音
单平衡混频器可以通过 减少无用信号和噪音的 干扰，提高接收端电路 的信噪比。
放大信号
单平衡混频器还可以用 来放大和提高某些信号 的强度。
混频器的工作原理
1
三介质理论
混频器的工作基于三介质理论，包含本地振荡信号、输入信号和差分信号三个介 质。
2
非Байду номын сангаас性元件
通过使用非线性元件，如二极管或晶体管，混频器将输入信号增强和频移。
3
混频
最后一个阶段是混频，将本地振荡信号和处理后的输入信号合并，形成差分输出 信号。
单平衡混频器电路结构
平衡输入
单平衡混频器具有平衡输入 结构，通过两路相同的信号 同时输入，减少了噪声和歪 曲。
混频器单平衡混频器教学 课件PPT
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名称
测试频率
变频功率增益
fIF 70 MHz
输入三阶截点
fLO 1880 MHz
噪声系数（单边） fIF 70 MHz 本振在中频口泄漏
本振在射频口泄漏
IF/2寄生响应 fIF 70 MHz
fLO 1880 MHz f RF 1950 MHz
fRF1 1950 MHz fRF2 1951 MHz
双曲正切
双向开关 S2 ( LO t) 展开式：
S2 (LOt)
4
cos LOt
4
3
cos 3LOt
L
L
射频信号与开关函数中各分量相乘
分段线性
得到频率： pLO 、p LO RF p =1，3，5，…
本振及本振的奇次谐波 输出电流中包含
本振各奇次谐波与 射频基波的组合频率
两段折线
滤波
得输出电流中的中频电流
2VT
2ie I0
ie
( RE1
4VT I0
)
RE1
4VT I0
(i5
i6 ) 2ie
2 vRE1 RE1
2v1 RE1
v1 vRE1
乘法器的输出电流
i
(i5
i6
)th(
2
q KT
v2 )
2v1 RE1
th( q 2KT
v2 )
结论：
输出电流与输入电压 v1 成线性
v1的最大范围为：
x 2ie 0.5 I0
i2
ic 2
(1
th
q 2kT
vLO
(t))
i3
ic 2
(1
th
q 2kT
vLO
(t))
i
i2
i3
icth
q 2kT
vLO (t)
差分对输出电流
i
i2
i3
icth
q 2kT
vLO (t)
的近似
条件：差分对输入电压 VLO 足够大
i ic S2 ( LO t) ( ICQ1 gm1vRF )S2 ( LO t)
缺点：中频输出口与本振口隔离不好
6.2.3 吉尔伯特双平衡混频器 ——模拟乘法器 应用目的： 改善单平衡混频器口间隔离不好的缺点
电路特点： 射频级改为差分输入输出线性放大器 本振级改为双差分对 中频输出口为平衡输出
输出电压 vo iRL
i iI iII (i1 i3 ) (i2 i4 ) (i1 i2 ) (i4 i3 )
双平衡混频器优点：
① 输出不含有射频 RF 和本振 LO 分量——口间隔离好
（1）RF 输入级是差分放大器，
② 线性范围较大，原因？
线性范围比单管大
（2）输出采用双平衡，
抵消了RF级的偶次失真项
v 问题：如何扩大 1 的动态范围？
v 扩大
动态范围的方法
1
——射极加负反馈电阻
电压关系 v1 vBE5 vRE1 vBE6
i1
i2
i5th(
qv2 2KT
)
i4
i3
i6th(
qv2 2KT
)
i5
i6
I
0th(
gv1 2KT
)
i
I
0
th(
qv1 2KT
)
th( qv2 2KT
)
v v 结论： 1 、 2 非理想相乘
按v1、v2的大小分三种情况来讨论该模拟乘法器输出。
1. v1、v2均为小信号 （ V1m 、V2m 均小于26mV ）
2
）的电流幅度为：
小信号幅度
II
2
I0
q 2kT
V1m
2
gmV1m
输出正比于 小信号放大级跨导
与大信号幅度无关
Gilbert 乘法器构成双平衡混频器
工作模式 输出电流
射频小信号 v1 vRF
本振大信号 v2 vLO
i
I0
q 2KT
vRF
S2 (LOt)
gmvRF
S2 (LOt)
输出电流频谱： pLO RF （p =1，3，5…）
接偏置和输入信号
接反馈电阻
镜像电流源
混频器三个口的不平衡 平衡的变换
接收机的下变频——双平衡混频器实际电路 射频为1. 9GHz 本振频率为1.7GHz
射频放大级——差分对 用共源共栅组合代替单管
本振开关级—— 双差分对
负载——有源负载 阻值由M16的电流控制
差分对M13 M14和 镜象电流源M15 M11 M12组成 共模反馈电路抑制共模干扰
Q1、Q2、Q3、Q4 工作于开关状态
th( q 2KT
v2
)
S2 (2t)
输出电流
i
I0
q 2KT
v1
S2 (2t)
g m v1
S2 (2t)
v2 大信号（V2m >100mv ）
v1 为小信号
Q5、Q6 线性化 Q5或Q6的跨导
输出电流频谱： p2 1 （p =1，3，5…）
v1与v2 理想相乘项（1
fIF 2 fRF 2 fLO
输入匹配阻抗
参数名称 输入阻抗
匹配元件
Z1
匹配元件
Z2
匹配元件 Z3
400MHz 900MHz
179 j356 54 j179
86 nH
270 PF
270 PF 22 nH
open
open
1950MHz 32 j94 1.5 PF 270 PF 1.8 nH
6.2.2 单平衡混频器
电路组成——四部分 ① 由本振信号激励的差分对管 Q2 Q3 ② 输出电流受射频信号控制的晶体管Q1 ③ 中频负载RL ④ 直流偏置（图中未画出）
电路工作的三个特点
i
① Q1 是射频小信号线性放大器 （输入跨导级）
② 差分对 Q2 Q3 是在本振大信号作用下 的轮流导通的双向开关
iIF
2
g V m1 RF
cos(RF
LO ) I IF
cosIF t
结论：实现了混频
（3）单平衡混频器的输出电压
vIF
I IF RL
c os ( RF
LO )
2
gm1VRF RL
c os IF
混频器的电压增益
Av
VIF VRF
2
g m1 RL
与射频级跨导、中频负载成正比
与本振电压无关（条件 Q2Q3 做开关）
2450MHz
33 j73
short 270 PF 1.8 nH
输出匹配阻抗
参数名称
45MHz
输出阻抗 匹配元件 L1
960 j372 390 nH
匹配元件 C2
匹配元件 R
39 PF 250
70MHz
240MHz
803 j785 330 nH 15 PF open
186 j397 82nH 3 PF open
近似 th qv q v ，输出电流简化为：
2KT 2KT
i
I0th(
qv1 2KT
)
th(
qv2 2KT
)
I0
(
q 2KT
)2
v1v2
输出频率 (1 2 )
结论：实现了输入电压v1、v2 理想相乘 幅度成正比
缺点： ① 输入信号动态范围小
②乘积系数
(
q 2KT
)2
I
0
与温度T有关
2．一个为大信号，一个为小信号 设
③ 当双端输出时，输出电流
是两电流 i2 和 i3 的差
i i2 i3
工作原理
（1）线性跨导级Q1 ——射频输入为小信号
I CQ1
应工作于放大区－加上偏置电路—设置合适的工作点 Q1的集电极电流
g m1
ic ICQ1 gm1vRF
（2）差分放大级 Q2 Q3
输出电压 vIF iRL (i2 i3 )RL
50Ω单端射频输入阻抗， 差分集电极开路混频输出
MAX2680 （MAXIM公司）低噪声、硅锗下变频器
射频 400MHz – 2.5GHz 本振频率 400MHz – 2.5GHz 中频 10MHz – 500MHz
电源电压 +2.7V — +5.5V 低功耗模式 电流 0.1A
MAX2680 主要性能指标
电流关系
i5
1 2
I0
ie
i6
1 2
I0
ie
其中
ie
vRE1 RE1
q
由
ie
I e KT vBE s
vBE5 vBE6
KT q
ln i5 i6
VT
ln 1 2ie / I0 1 2ie / I0
由 ln 1 x 2x 2 x3 2 x5 ...... x 0.5
1 x
35
v1
vRE1
MC13143 （MOTOROLA公司）超低功耗 线性混频器
主要技术指标：
极低的功耗： 电流1.0mA， 电压1.8–6.5V
宽的输入带宽： DC–2.4GHZ； 宽的输出带宽： DC–2.4GHZ； 宽的本振带宽： DC–2.4GHZ，
高的混频线性： 输出1dB压缩点为3.0dBm； 线性范围可调
ie
vRE1 RE1
1 4
I0
v1 RE1
1 4
I0
RE1
VEE
3. v1、v2 均为大信号
上、下两对差分对管均工作于开关状态
i
I
0th(
qv1 2KT
)
th(
qv2 2KT