,第九章 变频电路,第一节 概述 第二节 晶体三极管混频 第三节 场效应管混频器 第四节 二极管混频器 第五节 模拟乘法器混频器 第六节 混频器的干扰与失真,主要内容：,第一节 概述,一、变频电路的功能 1、变频电路的功能是将已调波的载频变换成固定的中频频率，而保持其调制规律不变。 2、变频电路功能的时域表示法和频域表示法。,变频电路的主要应用之一是用于超外差接收机中，将高频载频变换成固定中频载频信号，然后通过高性能的中频放大器进行放大，使整个接收机灵敏度和选择性大大提高。,下图是以输入普通调幅波,为例表示的输入输出波形以及输入输出的频谱。,时域表示法,频域表示法,二、变频器的组成 1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。 混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成,非线性器件用于频率变换。常用的非线性器件有晶体三极管、二极管、场效应管、差分对管和模拟乘法器等。,输入信号 与本振信号 通过非线性器件后会产生很多新的频率分量。其通过带通滤波器可选出其中之一，称其为中频频率。若带通滤波器取 称高中频。若带通滤波器取 称低中频。,混频器,二、变频器的组成 1、变频器是由混频器和本机振荡器两部分组成。 混频器是由输入回路、非线性器件和带通滤波器组成,三、变频器的技术指标 1、变频增益,变频电压增益 ,变频功率增益 ,2、选择性，（通常用矩形系数表示）,3、噪声系数,4、失直与干扰,第二节 晶体三极管混频器,一、晶体三极管混频器的工作原理,1、下图 是晶体三极管混频器的原理电路。其中 为直流偏置电压， 为输入信号， 为本振信号。集电极回路调谐于中频 。,2、工作原理,一个大信号和一个小信号 同时作用于非线性元件,输入信号： 为小信号； 本振信号： 为大信号 即 晶体三级管的发射结加有三个电压 和 ，晶体三极管 工作于非线性状态。而对于 来说，由于 很小，可以认为是在 的作用下，晶体管的工作点在变化。 在每一个工作点，对 来说都是工作于线性状态，只不过不同的工作点其线性参量不同。这种随时间变化的参量称为时变参量。,3、晶体三极管混频器的时变参量分析 混频器的时变参量表示式,晶体三极管的 ，正向传输特性为,因为 的值很小，在 的变化范围内正向传输特性是线性的。所以，可以将函数 在时变偏压 上展开成泰勒级数，则,对于小信号 ，其高阶导数很小，可近似为,式中， 为 时集电极电流； 为 时晶体三极管的跨导。,由于本振电压为大信号，工作于非线性状态， 和g均随 变化呈非线性，则,式中， 分别为 时集电极电流中的直流、基波、二次谐波分量的幅值及跨导的平均分量、基波和二次谐波分量的幅值。,输入 后产生的混频电流,在输入信号 作用下，集电极电流为,通过带通滤波器取出中频,若中频频率取差频 ，则混频后通过带通滤波器输出中频电流为,其振幅为 。表明中频电流振幅与高频输入信号振幅 成正比。,若输入信号为调幅波， ，则输出中频电流为,混频器的变频跨导,变频跨导是输出中频电流振幅 与输入高频信号振幅 之比，即,在数值上变频跨导是时变跨导 的基波分量的一半，可以通过 的基波分量 来求变频跨导,定义:,二、晶体三极管混频器的等效电路,由于本振电压为大信号，对于输入信号 为小信号来说可以等效为时变参量的线性电路。可用上图所示电路等效。,输入回路调谐于 ，输出回路调谐于 ，等效电路各参量可根据定义和混合 等效电路求出。,变频电压增益,变频功率增益,当 相等时，输出回路匹配，变频功率增益最大。,三、具体电路和工作状态的选择,1、晶体三极管混频器的四种组态 根据输入信号 可构成共射和共基两组态。而对本振电压的注入可分从基极注入和发射极注入两种组态，因此有四种组态,图（a）对 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 是基极注入，输入电阻大，易于起振。但两者相互影响大，可能产生频率牵引。,图（b）对 信号 为共射组态，输入电阻高，变频增益大。对 是射极注入，输入电阻小，本振负载较重，起振困难，但两者相互影响小，不会产生频率牵引现象。,图（c）、（d） 为共基组态，输入 阻抗小，变频电压增益小，高频特性好，上限频率高。频率 较低 时不用。,上图说明,2、工作状态的选择,变频功率增益 和噪声系数 的关系的实验结果如图 所示。 在100mV左右， 在0.30.7mA为宜。,3、具体电路,收音机变频电路,电视机变频电路,第三节 场效应管混频器,结型场效应管混频电路,1、结型场效应管混频电路如图所示,一、结型场效应管混频器,2、结型场效应管在饱和区漏极电流 与栅源电压 的关系,式中， 时的 为夹断电压。,3、混频原理,设输入信号 ，本振信号 。则,式中 为场效应管静态工作点的 值。可得,可知， 中含有直流 等频率分量，其中 为高中频和低中频分量。若选用低中频的带通滤波器，则,式中， 为变频跨导，其值为 。,若中频带通滤波器中心频率为 ，且谐振电阻为 ，则混频器输出电压为,对于 ，则,二、双栅绝缘栅场效应管混频器,1、原理电路如图所示,双栅场效应管混频电路,2、双栅场效应管的特点及特性的表示式,双栅绝缘栅场效应管具有栅漏极间电容很小，正向传输导纳较大，且受到双重控制，很适合于作为超高频段混频器。,双栅绝缘栅场效应等，在放大区,式中， ， 。其中 是由直流偏置及管子本身所决定的常数。则,3、混频原理,在输入信号 ，本振信号 时，漏极电流中含有直流 等频率分量。,经带通滤波器可取出中频电流,输出中频电压为,第四节 二极管混频电路,一、二极管平衡混频器,1、原理电路如图所示,2、电路特点,本振电压 足够大，晶体二极管工作在受 控制的开关状态。 输入回路的次级调谐于 ；输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。,3、混频原理分析,开关工作状态下，流过二极管 的电流,在无带通滤波的条件下，流过输出回路的电流为,设 ， ，则,当输出回路调谐于 时，则输出中频电流为,是由 正向混频产生的中频电流和中频输出电压反作用产生的中频电流之差。,当输入回路调谐于 时，流过输入回路初级的电流是,是由 在输入回路中产生输入电流和 经反向混频产生输入电流之差。,结论：二极管混频器是一个能实现双向混频的电路,4、混频器的等效电路 等效电路,由 的关系式得出，其中 ， 。,混频器工作于全匹配的条件 由于混频器等效电路是对称的 型双口网络，其特性电导 的定义是在输出端接入 时，从输入端看输入电导为 。同样，当在输入端接入 时，从输出端向里看的输出电导为 。因而 。,全匹配条件 ， ，此时能获得最大的功率传输。,全匹配条件下的变频功率增益,三、二极管环形混频器 1、原理电路如图 所示,环形混频器,本振电压 足够大，使 处于开关工作状态。本振电压正半周， 导通， 截止，其开关函数为 。本振电压负半周， 截止， 导通，其开关函数为 。,输入回路的次级调谐于 ，输出回路的初级调谐于 。相当于两个带通滤波器。,2、原理分析,* 在本振信号正半周， 组成平衡混频器,* 在本振信号负半周， 组成平衡混频器,* 无带通滤波条件下，输出电流,* 有带通滤波器时，选出中频电流,* 无带通滤波条件下，输入电流,* 有带通滤波器时，选出输入电流,3、结论 环形混频器与平衡混频器相比，增加了两个二极管，其输出中频电流和输入电流都增大二倍。同时在输出电流中进一步抵消了 等分量。,第五节 模拟乘法器混频器,MC1596构成混频器,外来输入信号 加到1端。,输入信号 约为1.5mV，本振电压 约为100mV。,2,1,3,5,4,本振信号 加到8端，7端 交流接地。,6、9端分别接100 电感到电源,对于工作频率 等效为 电阻。,混频器的中频滤波器的中心频率为9MHz。,第六节 混频器的干扰与失真,混频器存在的干扰：,信号与本振的组合频率干扰（主波道干扰） 外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰） 外来干扰与信号形成的交叉调制（交调干扰） 外来干扰之间组合频率干扰（互调干扰） 包络失真与强信号阻塞,一、信号与本振的组合频率干扰（干扰哨声）,1、信号频率与本振频率通过非线性器件产生的频率,若非线性特性为 ，而 ，则会产生 直流, 的频率分量是混频时，必须要有的项，因低中频，高中频 。 故非线性特性中必须有 的乘积项。而带通滤波器应根据需要滤除其中的 个中频，例如选低中频应滤除 ，选高中频应滤除 。,非线性特性的三次方及其以上项会产生很多组合频率,（式中： ，p、q为正整数或零。）,2、信号频率与本振频率的组合频率干扰的条件,1当满足 时，这个组合频率将会与正常的 一道通过中频带通滤波 经中频放大器放大后送给检波器。,2由于 差频不大为音频，则 送给检波器会产生差拍检波，产生音频实现 干扰常称干扰哨声。,3举例：超外差接收机的中频频率 ，当某电台发射载频 时 正常的变频过程是 。但是由于非线性特性有三次方项，则,。二者都可以通过中频带通滤波进行中频放大，然后 经检波器会产生1kHz的差拍检波在终端扬声器产生干扰哨声。,3、产生这样干扰的原因 非线性特性有三次方及以上项。,4、减小这种干扰的方法 选取理想二次方特性的场效应管或模拟乘法器作混频器； 采用二极管开关平衡混频方式； 对晶体三极管混频器的本振信号选为大信号，也能减小干扰。,2,3,1,1,2,3,二、外来干扰与本振组合频率干扰（副波道干扰）,1、在混频器的输入回路选择性不好的条件下，除正常输入信号 外，还有些其它频率的强干扰信号通过输入回路进入混频器，统称为外来干扰信号。外来干扰频率通过非线性器件产生 组合频率 。,2、在接收某一给定信号频率 时，接收机会产生一个本振频率 ，若取低中频 ，则 ，由于输入回路选择性不好会有强干扰信号进入混频器，其频率 与本振 的组合频率 。只有 和 有可能通过 的中频带通滤波器，若满足 或 会产生干扰，称为副波道干扰。,3、中频干扰 当 时， 称为中频干扰。 产生原因 输入回路选择性不好， 的强干扰信号进入混频器通过非线性特性的一次方 项，相当于放大由中频选频回路输出，产生中频干扰。 减小中频干扰的方法 提高输入回路的选择性，还可在混频器输入端增加一个中频LC串联陷波电路减小中频干扰。,4、镜象频率干扰 当 时， 为正常接收。而 称为镜象频率干扰。 产生原因 输入回路选择性不好， 的镜象频率干扰。,减小镜象频率干扰的方法 提高输入回路的选择性，选用高中频可减小镜象频率干扰。,5、副波道干扰