混频器单平衡混频器

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
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 ）
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 )
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
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
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
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，
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)
2
来自百度文库
）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…）
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
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
)
i I 0S2 (1t) S2 (2t)
输出电流频谱:
(2n 1)1 (2m 1)2
吉尔伯特模拟乘法器典型产品 MC 1596内部电路 接负载
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）
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
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
③ 当双端输出时，输出电流
是两电流 i2 和 的差
i3
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
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