非线性电子线路4-3谢嘉奎东南大学

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1、第第 4 章章振幅调制、解调振幅调制、解调与混频电路与混频电路4.3混频电路混频电路4.3.1通信接收机中的混频电路通信接收机中的混频电路4.3.2三极管混频电路三极管混频电路4.3.3混频失真混频失真4.3混频电路混频电路混混 频频地位：地位：超外差接收机的重要组成部分。超外差接收机的重要组成部分。作用：作用：将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频信号。信号。重要性：重要性：靠近天线，直接影响接收音机的性能。靠近天线，直接影响接收音机的性能。种类：种类： 一般接收机中：三极管混频器。一般接收机中：三极管混频器。 高质量通信接收机：二极管环形混频器

2、、双差分对高质量通信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。平衡调制器混频器。 4.3.1通信接收机中的混频电路通信接收机中的混频电路一、主要性能指标一、主要性能指标1混频增益混频增益 定义：定义：混频器的输出中频信号电压混频器的输出中频信号电压 Vi( (或功率或功率PI) )对输对输入信号电压入信号电压 Vs( (或功率或功率 PS) )的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示( (与混频损与混频损耗耗 Lc 类似类似) ) SIclg10PPG 或或siclg20VVA 2噪声系数噪声系数定义：定义：输入信号噪声功率比输入信号噪声功率比 (PS/Pn)i 对输出中频信号对输出中频

3、信号噪声功率比噪声功率比 (PI/Pn)o 的比值，即的比值，即 onIinS)/()/(lg10PPPPNF 接收机的噪声系数接收机的噪声系数主要取决于它的前端电路，若无高主要取决于它的前端电路，若无高频放大器，主要由混频电路决定。频放大器，主要由混频电路决定。31 dB 压缩电平压缩电平( (PI1dB ) )图图 4- -3- -11 dB 压缩电平压缩电平 当当 PS 较小时，较小时， PI 随随 PS 线性增大，混频增益为线性增大，混频增益为定值定值； 当当 PS 较大时，较大时， PI 随随 PS 增大趋于缓慢。增大趋于缓慢。定义：定义：比线性增长低比线性增长低 1 dB 时时所对

4、应的输出中频功率电平，称所对应的输出中频功率电平，称 1dB 压缩电平压缩电平，用，用 PI1dB 表示。表示。 意义：意义：PI1dB 所对应的所对应的 PS 是是混频器动态范围的上限电平。混频器动态范围的上限电平。 4混频失真混频失真来源：来源： 接收机输入端存在的干扰信号；接收机输入端存在的干扰信号； 混频器件非线性，使输出电流包含众多无用组合频混频器件非线性，使输出电流包含众多无用组合频率分量，若某些靠近中频，则中频滤波器无法将它们滤除，率分量，若某些靠近中频，则中频滤波器无法将它们滤除，叠加在有用中频信号上，引起的失真称为叠加在有用中频信号上，引起的失真称为混频失真混频失真。5隔离度

5、隔离度混频器各端口之间在理论上应相互隔离，确保任一端混频器各端口之间在理论上应相互隔离，确保任一端口上的功率不会窜到其他端口上。口上的功率不会窜到其他端口上。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。定义：定义：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比( (用用分贝表示分贝表示) )。意义：意义：用来评价窜通大小的性能指标。用来评价窜通大小的性能指标。危害：危害：在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通危害最大。为保证混频性能，加在本振端口的本振功率都危害最大。为保证混频性能，加在

6、本振端口的本振功率都比较大，当它窜通到输入信号端口时，就会通过输入信号比较大，当它窜通到输入信号端口时，就会通过输入信号回路回到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻回路回到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。近接收机。 二、二极管环形混频器和双差分对混频器二、二极管环形混频器和双差分对混频器高性能接收机高性能接收机混频器种类混频器种类 双差分对平衡混频器双差分对平衡混频器二极管环型混频器二极管环型混频器1二极管环形混频器二极管环形混频器已有系列产品，以二极管开关工作所需本振功率电平已有系列产品，以二极管开关工作所需本振功率电平的高低分类：的高低分类： Level7、Lev

7、el17、Level23 ，所需的本振功率分所需的本振功率分别为别为 7 dBm( (5 mW) )，17 dBm( (50 mW) )，23 dBm( (200 mW) )。本振功率电平越高，相应的本振功率电平越高，相应的 1 dB 压缩电平也就越高，压缩电平也就越高，混频器的动态范围就越大。混频器的动态范围就越大。优点：优点：频带宽、噪声低、混频失真小、动态范围大。频带宽、噪声低、混频失真小、动态范围大。 缺点：缺点：无混频增益、端口间的隔离度较低。无混频增益、端口间的隔离度较低。2双差分对平衡混频器双差分对平衡混频器( (AD831) )图图 4- -3- -2AD831 的内部组成及构

8、成混频器的外接电路的内部组成及构成混频器的外接电路组成：组成：双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器、本双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器、本振驱动振驱动。 特点：特点：工作频工作频率达率达 500 MHz 以上；以上；混频增益高；输入混频增益高；输入端只需电压激励，端只需电压激励，不需匹配网络，使不需匹配网络，使用方便；设有本振用方便；设有本振驱动放大器，为保驱动放大器，为保证开关工作所需的证开关工作所需的本振功率小；且端本振功率小；且端口间隔离度高。反口间隔离度高。反向辐射小。向辐射小。缺点：缺点：噪声系数较大，动态范围小。噪声系数较大，动态范围小。4.3.2三极管混频电路三极管混频电路一

9、、作用原理一、作用原理1原理电路原理电路图图 4- -3- -3三极管混频器三极管混频器L1C1 ： 输入信号回路，调谐在输入信号回路，调谐在 fcL2C2 ：输出中频回路，调谐在：输出中频回路，调谐在 fI本振电压本振电压 vL = VLmcos Lt 接在基极回路中，接在基极回路中，VBB0 为为基极基极静态偏置电压静态偏置电压。 vBE = VBB0 + vL + vS2工作原理工作原理将将 VBB0 + vL 作为作为T的等效基极偏置电压，用的等效基极偏置电压，用 vBB(t) 表示，表示，称为时变基极偏置电压，当输入信号电压称为时变基极偏置电压，当输入信号电压 vS = Vsmcos

10、 ct 很很小，满足小，满足线性时变条件线性时变条件时，三极管集电极电流为时，三极管集电极电流为iC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vSiC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vS在时变偏压作用下，在时变偏压作用下，gm(vL) 的傅里叶级数展开式为的傅里叶级数展开式为gm(vL) = gm(t) = g0 + gm1cos Lt + gm2cos2 Lt + 其中，基波分量其中，基波分量 gm1cos Lt 与输入信号电压与输入信号电压 vS 相乘相乘gm1cos Lt Vsmcos ct = gm1Vsmcos( L - - c)t + cos( L + c

11、)t21令令 I = L - - c，得中频电流分量为，得中频电流分量为iI = IImcos It = tVgtVgIsmcmIsm1mcoscos21 其中其中1mmImmc21gVIg s s称为称为混频跨导混频跨导，定义为输出中频电流幅值，定义为输出中频电流幅值 IIm 对输入信号对输入信号电压幅值电压幅值 Vsm 之比，其值等于之比，其值等于 gm(t) 中基波分量幅度中基波分量幅度 gm1 的的一半。一半。若设中频回路的谐振电阻为若设中频回路的谐振电阻为 Re ，则所需的中频输出电，则所需的中频输出电压压 vI = - - iIRe ，相应的，相应的混频增益混频增益为为AC= =