混频器
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混频器 第8页，共41页
1.2 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
第9页，共41页
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)
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2ห้องสมุดไป่ตู้，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
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
第17页，共41页
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 第23页，共41页
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。
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 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
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。
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
第25页，共41页
2.2.3 双平衡混频器 (Double-Balanced)
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。
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4页，共41页
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
第5页，共41页
1.1.2 半导体材料分类
按是否含有杂质分类
混频器 第21页，共41页
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
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。
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
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
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。
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。
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
第19页，共41页
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
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。
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
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.
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
第10页，共41页
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。
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)
1.2 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
第9页，共41页
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)
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2ห้องสมุดไป่ตู้，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
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
第17页，共41页
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 第23页，共41页
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。
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 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
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。
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
第25页，共41页
2.2.3 双平衡混频器 (Double-Balanced)
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。
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4页，共41页
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
第5页，共41页
1.1.2 半导体材料分类
按是否含有杂质分类
混频器 第21页，共41页
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
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。
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
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
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。
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。
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
第19页，共41页
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
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。
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
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.
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。
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)