混频器

将四个二极管按整流 器电路结构配置就构 成双平衡混频器，如 右图。 新增加的二极管改善了混频器的隔离度并增 强了对寄生模式的抑制。 理论上，双平衡混频器可以消去本振信号和 射频信号的所有偶次谐波。
混频器 第26页，共41页


2.2.4 三平衡混频器 (Triple-Balanced)


采用两个二极管电桥 便可构成三平衡混频 器，如右图。 由于三个端口都有变 压器，因此其本振、 射频及中频带宽可达 几个倍频程，且动态 范围大、失真小、隔 离度高。


低势垒电压的二极管对应的额定本振电平低； 高势垒电压的二极管则对应更高的额定本振电 平。 本振电平越高，二极管表现出越好 的线性，即IIP3 更高。
混频器 第13页，共41页
1.2.4 双极性晶体管(BJT)



1948 年，Bardeen 和Brattain 两人在 AT&T Bell 实验室中发明了BJT。 BJT 共有三个极：基极(Base)、集电极 (Collector)、发射极(Emitter)。 BJT 有NPN 和PNP 两种类型。 BJT 具有与二极管类似的指数型传输特 性。
混频器 第11页，共41页
1.2.3 肖特基势垒二极管

电路模型
LS RJ RS
Cg
LS – 串联电感； RS – 串联电阻； RJ – 结电阻；
CJ
CJ – 结电容；
Cg – 寄生电容。
肖特基二极管的各电路元件的典型值为:
RS 2 ~ 5, Cg 0.1 ~ 0.2 pF, RJ 200 ~ 2k
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2.1.2 混频器的基本原理

输入两个射频信号v1 V1 cos(1t ) ,v2 V2 cos(2t ) , 它们在非线性器件上产生的电流响应可根据泰勒级 数展开求得:
I (V ) A 1 cos(1t ) V2 cos(2t ) B V1 cos2 (1t ) V2 cos(2t ) V
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2.2.1 单端混频器 (Single-Ended)


最简单、效率也最低的混 频器就是由一个肖特基二 极管构成的单端混频器(右 上图)，该混频器的本振信 号和射频信号没有分开。 右下图为改进型FET 混频 器。 单端混频器的主要缺点是， 本振信号、射频信号以及 中频信号之间的相互隔离 差，无法实现宽带应用。
混频器 第27页，共41页
2.2.5 双-双平衡混频器 (Dual-Double-Balanced)


类似于三平衡混频器 的配置，在中频端口 增加一个Balun 即可 构成双-双平衡混频 器，见右图。 双-双平衡混频器进 一步提高了混频器的 IP3 性能，同时改善 了隔离度。
输入匹 配网络
f RF
f IF
90分支线 耦合器
由混合耦合器构成的平衡混频器
输出匹 配网络
180
输入匹 配网络
f LO
输出匹 配网络
Wilkinson 功率 合成器
f IF
移相 器
90分支线 耦合器
由耦合器及功率合成器组成的单平衡MESFET 混频器
混频器
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2.2.3 双平衡混频器 (Double-Balanced)
混频器 第8页，共41页
Байду номын сангаас.2 晶体管
1.2.1 晶体管的非线性 1.2.2 肖特基接触 1.2.3 肖特基势垒二极管 1.2.4 双极性晶体管(BJT) 1.2.5 场效应晶体管(FET)
混频器
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1.2.1 晶体管的非线性

二极管和BJT 都具有指数型传输特性 V
I I s (eVT 1)
V VT
正向特性：V>0的部分称 为正向特性，此时PN 结处 于导通状态。 反向特性：V<0的部分称 为反向特性，此时PN 结处 于截止状态 。 反向击穿：当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧 增加，称之反向击穿。 势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。 势垒电压(Barrier Voltage)：使PN 结导通的电压。
混频器 第6页，共41页

按导电类型分类


1.1.3 PN 结及其形成过程


PN结是指在P型半导体区和N型半导体区的交界面处形成的，一 个具有特殊导电性能的薄层。 PN 结是半导体器件结构的基本组成部分，它是利用控制杂质分 布的工艺方法来实现的。PN 结可分为同质结(Homojunction) 和 异质结(Heterojunction)。 形成过程
混频器 第14页，共41页
1.2.4双极性晶体管(BJT)(续)
C
NPN
IC
C
PNP
IC
B
B E IE
IB
IB
E
IE
BJT 的三个工作区 (1) 放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB (2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IB>IC，UCE≤0.3V (3) 截止区：UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 混频器 第15页，共41页
G 两个N区 S
a) b)
G S D G S
c) d) 第18页，共41页
N P
N G P型基底
D
SiO2绝缘层
混频器
S
导电沟道
第二章 混频器
2.1 混频器的定义及原理 2.2 混频器的基本类型 2.3 混频器的主要参数 2.4 正确选择混频器
混频器
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2.1 混频器的定义及原理
2.1.1 混频器的定义 2.1.2 混频器的基本原理
N P 沟 道 结 型
D
D
N
基底:N型半导体 两边是P区
P
G
G
沟 道 结 型
G
P
导电沟道
S
S
混频器
S
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1.2.5 场效应晶体管(FET)(续)

S
MOS 可分为四种：a) N 沟道增强型; b) N 沟道耗尽型; c) P 沟道增强型; d) P 沟道耗尽型。 G D D D
金属铝
混频器
VLO t
VRF t
L
C
f IF
单端二极管混频器
VLO t
f IF
VRF t
单端FET 混频器
第24页，共41页
2.2.2 单平衡混频器 (Single-Balanced)


由混合耦合器及平衡配置的两个 二极管或晶体管可以构成一个单 平衡混频器。如右图。 f RF 单平衡混频器可以实现宽带应用， 且平衡配置使得它具有很强的噪 声抑制(噪声在很大程度上相互抵 f LO 消)和寄生模式隔离能力。 单平衡混频器不能抑制热噪声， 不宜用作接收机前端，且射频信 号与中频信号之间没有隔离。

本征半导体: 不含有杂质的半导体，如锗(Ge)、硅(Si)、硒 (Se)、硼(B)、碲(Te)、锑(Sb)等。 杂质半导体:通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的 杂质元素，就得到杂质半导体，如砷化铟镓(InGaAs)、磷化 铟镓(InGaP)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、锗化硅(SiGe)、 砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)、碳化硅(SiC)、 氮化硅(SiN) 等。 N 型半导体:在半导体材料硅或锗晶体中掺入五价元素(如磷)， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N 型半导体。 P 型半导体:在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素(如硼)， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P 型半导体。 P – Positive, N – Negative.

两种类型



FET 具有二次曲线传输特性，混频时输出信号中将只有2阶交调 产物，不容易产生有害的高阶交调产物。因此，FET 混频器相对 二极管/BJT 混频器而言具有更高的IP3。
混频器 第16页，共41页
1.2.5 场效应晶体管(FET)(续)

JFET 可分为N 沟道结型和P 沟道结型。
D
如图所示，将P 型半导体 与N 型半导体制作在同一块 硅片上，在无外电场和其它 激发作用下，参与扩散运动 的多子数目等于参与漂移运 动的少子数目，从而达到动 态平衡，形成PN 结。

混频器
第7页，共41页
1.1.4 PN 结的伏安特性

理想伏安特性方程
qV kT
I I S (e

1) I S (e 1)
混频器
第20页，共41页
2.1.1 混频器的定义

混频器是将不同频率 RF 的信号相乘以实现频 率变换的三端口器件， 电路符号见右图。

IF
IF=|LO±RF|
LO
LO: Local Oscillator,
RF: Radio Frequency IF: Intermediate Frequency fLO>fRF: 高本振；fLO<fRF:低本振； fIF>fRF: 上变频；fIF<fRF:下变频。

MESFET 的传输特性可近似为二次曲线
I (V ) I DSS (1 V 2 ) VT 0
混频器
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1.2.2 肖特基接触




肖特基接触(Schottky contact) 是指在特定金属和半导 体之间形成的二极管结。 1874 年，F．Braun 发现硫化铜、硫化铁这类半导 体—金属接触存在导电不对称性，即整流效应。 1938 年，Walter Schottky 对这一现象作出解释，指 出这过程是电子经过正常的漂移和扩散，然后越过一 个势垒在移动，这个势垒就是现在所谓的Schottky 势 垒。 肖特基接触的势垒电压远大于PN 结，耗尽层电容则远 小于PN 结，从而更适合在高频、大电流下工作。 肖特基势垒二极管通常用作混频二极管。
1.2.5 场效应晶体管(FET)

单极性器件，只有一种载流子，或是空穴或是电子对穿过通道的 电流作贡献。 结构

Drain - 漏极 Gate - 栅极 Source - 源极 结型场效应管JFET Joint-Field-Effect-Transistor 绝缘栅型场效应管MOS Metal-Oxide-Semiconductor
混频器
混频器
第1页，共41页
目录
第一章 晶体管…………………………3-18 第二章 混频器………………………19-40 总结 ……………………………………58
混频器
第2页，共41页
第一章 晶体管
1.1 半导体基础及PN 结 1.2 晶体管
混频器
第3页，共41页
1.1 半导体基础及PN 结
1.1.1半导体的定义及特性 1.1.2 半导体材料分类 1.1.3 PN 结及其形成过程 1.1.4 PN 结的伏安特性
影响RS、CJ 的因素包括： 二极管反向电压(VR)、正向电流(IF)。
混频器 第12页，共41页
1.2.3 肖特基势垒二极管(续)

肖特基二极管的混频效率与二极管参数(电容、 电阻、势垒电压)和电路参数(直流偏置、负载 电阻)有关。

直流正向偏置总体上会降低二极管的变损，但当本 振电平达到某一最佳值时(称为额定本振电平)，直 流正向偏置对二极管的变损不再起作用。
混频器 第22页，共41页
2.2 混频器的基本类型
2.2.1 单端混频器(Single-Ended) 2.2.2 单平衡混频器(Sing-Balanced) 2.2.3 双平衡混频器(Double-Balanced) 2.2.4 三平衡混频器(Triple-Balanced) 2.2.5 双-双平衡混频器(Dual-Double-Balanced) 2.2.6 镜像抑制混频器(Image Reject) 2.2.7 谐波混频器(Harmonic Mixer) 2.2.8 无源混频器和有源混频器(Passive Mixer & Active Mixer)
混频器
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1.1.1 半导体的定义及特性

定义

半导体(Semi-conductor) 是导电能力介于导 体和绝缘体之间的物质。 电阻率的变化受杂质含量的影响极大； 电阻率受外界条件（如热、光等）影响极大。

导电特性

混频器
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1.1.2 半导体材料分类

按是否含有杂质分类
2 2


2 BV1V2 cos(1t ) cos(2t )
式中， A
dI d 2I ;B 2 dV 2d V
。
根据三角恒等式，上式中包含余弦平方的项可以 展开为直流项和包含 cos(21t ), cos(2 2t ) 的项，最后 一项则变为： I (V ) BV1V2 cos1 2 t cos1 2 t 该表达式清晰地表明，器件的非线性产生了新的频 率分量，其幅度与输入信号、器件I-V 特性有关。