1、§7.5混頻電路本節我們將討論下述幾個問題1.進行變頻的原因，混頻器的作用。2.變頻器的基本原理及數學分析。3.晶體三極管變頻電路的基本原理。4.變頻器的主要性能指標。5.變頻干擾。§7.5.1 概述定義：混頻是將已調波中載波頻率變換為中頻頻率，而保持調制規律不變的頻率變換過程。地位：超外差接收機的重要組成部分（下變頻）；發射機的重要組成部分（上變頻）。接收機中混頻器的作用：將天線上感應的輸入高頻信號變換為固定的中頻信號；發射機中混頻器的作用：將中頻信號變換為射頻信號。重要性：靠近天線，直接影響接收機的性能。種類：一般接收機中：三極管混頻器。 高質量通信接收機：二極管環形混

2、頻器、雙差分對平衡調制器混頻器。 1. 混頻器與變頻器的差別混頻器和變頻器的功能是一致的，都是頻率變換電路，是頻譜線性搬移過程。其差別在于：混頻電路中，本振信號由外部提供；變頻電路中，本振信號由電路自身產生。變頻器 混頻器+本機振蕩器 四端口網絡 六端口網絡因為二者功能相同，因此很多參考書不加區別。但嚴格意義上是有差別的。為什么要進行變頻？(1) 要實現寬帶，有一定增益的高頻放大器非常困難，且要在頻率很寬的范圍內實現良好的選頻特性也很困難。例如，調幅收音機頻率范圍5351605K，調頻收音機的頻率范圍88108MHz要在整個頻帶內兼顧增益和選擇性很困難。相比之下，固定頻率的中頻放大器的增益和選

3、擇性都可以做得很好。(2) 在超外差接收機中，采用變頻器，將接收到的射頻信號變為固定的中頻，在中頻上放大信號，放大器的增益可以做得很高，選頻特性可做得很好，且電路結構簡單。經中頻放大后，輸入到檢波器的信號可達到伏特數量級。混頻達到的目的：將寬帶的射頻信號固定的中頻信號有利于兼顧選頻和增益提高接收機的靈敏度，也就是提高接收微弱信號的能力。知識點（了解）：調幅收音機頻率范圍5351605K，中頻465KHz；調頻收音機的頻率范圍88108MHz，中頻為10.7MHz。電視接收機也可采用超外差式方案，電視接收機視頻信號中頻為38MHz。音頻信號的中頻為6.5MHz。微波接收機和衛星接收機的中頻信號為

4、70MHz或140MHz。2.混頻器的組成及變頻作用 變頻（混頻）的作用：改變輸入信號的載波頻率，保持調制規律不變。下面給出調制信號為單頻信號時混頻器功能示意圖 調制信號為音頻信號時混頻器功能示意圖 結論：混頻實現頻譜的線性搬移，即頻譜結構不變，從載頻附近搬移到中頻附近。信號各頻譜分量的相對位置（頻率間隔）相對幅度（幅度的比例關系）不變。3. 變頻基本原理的數學分析冪函數如果在非線性器件上同時加上二個高頻信號，只要使變頻器工作于變頻管輸入特性曲線的彎曲部分，就會在其輸出電流中產生新的頻率成分。非線性器件的電流可用冪級數來表示根據以上分析，由于非線性器件中伏安特性的平方項，在的共同作用下，產生了

5、新的頻率成分：差頻分量；和頻成分；諧波成分若選擇差頻，則稱為下變頻若選擇和頻，則稱為上變頻注意：混頻器后面一定要跟濾波器。4.變頻器的主要性能指標衡量混頻器性能優劣的主要指標有：變頻增益，噪聲系數，動態范圍，失真干擾等。1）變頻增益（或變頻損耗）表征混頻器將輸入高頻信號轉換為輸出中頻信號的能力。定義：混頻器輸出中頻電壓幅值與輸入信號電壓幅值 的比值（6-4-2）變頻增益常以分貝表示。用功率表示 以電壓表示 （dB）分別是輸出的中頻功率和輸入高頻信號的功率。在相同輸入信號情況下，分貝數越大，表明變頻增益越高，變頻器將輸入信號變換為輸出中頻信號的能力越強。接收機的靈敏度越高。變頻損耗是對不具備混頻

6、增益的混頻器而言的，它定義為在最大功率傳輸條件下，輸入信號功率對輸出中頻功率的比值，用dB（分貝）表示，即(dB) 顯然，在相同輸入信號情況下，分貝數越大，即混頻損耗越大，混頻器將輸入信號變換為輸出中頻信號的能力越差。 2）噪聲系數混頻器處于接收機的前端，它的噪聲電平高低對整機影響很大，降低混頻器的噪聲十分重要。混頻器的噪聲系數NF是指在混頻器輸入端信號頻率上的輸入信噪比與在混頻器輸出端中頻頻率上的輸出信噪比如果混頻器不存在內部噪聲，則其輸出信噪比與輸入信噪比一樣，即NF1，這是理想狀態。實際上混頻器內部總是存在噪聲的，使輸出信噪比小于輸入信噪比，所以NF總是大于1。NF越大，說明混頻器內部噪

7、聲越大，使輸入信噪比降低程度越大。因此要求NF盡可能小。混頻器的內部噪聲主要由非線性器件產生，選擇低噪聲混頻管；選擇合適的混頻器工作點和本振電壓，可以減小混頻器的內部噪聲，從而獲得較小的混頻噪聲系數。3)1dB壓縮電平（1dB Compression Level）增益壓縮的概念（混頻器和放大器中重要的概念）理想混頻器的混頻增益為常數，即 輸出的中頻信號振幅 輸入已調波信號的振幅實際情況當輸入信號功率較小時，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率線性增大。由于器件的非線性，當輸入信號功率增大到一定程度，輸出中頻功率的增大將趨于緩慢，出現增益壓縮的現象。隨著輸入信號的加大，變頻增益將會減小，這

8、一現象稱為增益壓縮。定義：混頻器實際功率增益低于理想線性功率增益1dB時所對應的中頻功率電平稱為1dB壓縮電平，用PI1dB表示，如下圖所示。意義：PI1dB 所對應的 PS 是混頻器動態范圍的上限電平。 注意以下幾個問題的理解：i)當輸入信號功率較低時，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率線性增大。ii)當輸入信號增大到一定程度，由于器件的非線性作用，中頻輸出信號的幅度不再與輸入信號成線性關系，輸出中頻信號功率的增幅隨輸入信號的增加而趨于緩慢，直到比線性增長低1dB時所對應的輸出中頻功率稱為1dB壓縮電平，用表示。iii)混頻器的動態范圍指混頻器正常工作時的射頻信號輸入功率范圍。動態范

9、圍的下限電平是由噪聲系數決定的最小輸入信號功率。動態范圍的上限電平是所對應的輸入信號功率確定。輸出、輸入功率均用dBm作為單位。 dBm是功率的單位，以mW的基準選擇性 混頻器的有用成分為中頻，輸出應該只有中頻信號，實際上由于各種因素會混雜很多干擾信號。因此為了抑制中頻以外的不需要的干擾，就要求混頻器的高頻輸入、中頻輸出回路有良好的選擇性。選擇性主要取決于混頻器輸出端的中頻帶通濾波器的性能。5) 混頻失真混頻器的失真主要有: 非線性失真、頻率失真 來源： 接收機輸入端存在的干擾信號；混頻器件非線性，使輸出電流包含眾多無用組合頻率分量，若某些靠近中頻，則中頻濾波器無法將它們濾除，疊加在有用中頻信

10、號上，引起失真。如何減小失真與干擾是混頻器研究中的一個重要問題，我們將在后面專門介紹。隔離度 理論上要求混頻器的各端口之間是隔離的，任一端口上的功率不會竄通到其它端口。但在實際電路中，總有極少量功率在各端口之間竄通。定義：本端口功率與其竄通到另一端口的功率之比(用分貝表示)。意義：用來評價竄通大小的性能指標。危害：在接收機中，本振端口功率向輸入端口的竄通危害最大。原因：為保證混頻性能，加在本振端口的本振功率都比較大，當它竄通到輸入信號端口時，就會通過輸入信號回路回到天線上，產生本振功率的反向輻射，嚴重干擾鄰近接收機。本振泄漏示意圖如下：§7.5.2.混頻器電路及分析三極管混頻器二極管

11、混頻器不適合于高度集成無線產品的設計原因：二極管混頻器有損耗，對終端敏感，并且要求相當大的本振功率。實現平衡和端口間隔離需要依賴于變壓器。晶體三極管混頻器最為重要的應用在于高度集成和減小電流的場合。晶體三極管混頻的主要優點：變頻增益大于1（要求本振電壓的幅值較小50200mV之間）。通常BJT混頻器可有大約20dB的變頻增益，而FET混頻器有大約10dB的變頻增益。BJT轉移特性是指數函數，所以互調失真較高。FET轉移特性為平方律，輸出電流中的組合頻率分量比BJT混頻器少得多，故互調失真小。所以，FET容許的輸入信號動態范圍大。在短波和超短波接收機中應用廣泛1 晶體三極管混頻器的工作原理電路的

12、構成：調諧于輸入的載波頻率調諧于中頻上。發射結上作用有三個電壓：直流偏置，射頻信號電壓和本振電壓，即為了減小非線性器件產生不需要的分量，一般情況下，使，即本振信號是大信號，而輸入信號為小信號。在一個大信號和一個小信號同時作用于非線性器件時，晶體管可近似看成小信號的工作點隨大信號變化而變化的線性元件。晶體管的工作點由本振信號電壓和偏置電壓共同確定。 隨時間變化，稱為時變靜態工作點電壓。在時刻，工作點為Q1點；在時刻，工作點為Q3點；在時刻，工作點為Q2點參看課本P157線性時變電路分析法。因為信號很小，因此對于而言，晶體管可以近似看成工作于線性狀態，混頻器中的三極管工作在線性時變狀態。（關于線性

13、時變工作狀態的解釋，看附件。）對于混頻器中的三極管為時的電流，稱為時變靜態電流；是電流對電壓的變化率(跨導，請看附件）和跨導都是時變的（圖 6.4.18所示）下面求解時變跨導（如圖 6.4.18所示）（a）三極管轉移特性曲線 ，該曲線上各點的斜率即為跨導（b）根據各點切線的斜率畫出， （c）是t的函數，因此可畫出曲線圖6.4.18 混頻器的時變跨導小結：線性時變工作狀態的來由:線性：由于是小信號，因此晶體管可視為工作于線性狀態。時變：由于工作點由共同確定，所以線性參量是隨時間變化的。這種電路稱為線性時變電路。是周期性的非正弦函數。時變偏置電壓在的基礎上按本振電壓的規律作周期性變化時，跨導也隨作

14、周期變化，形成時變跨導。結論：是一個隨作周期變化的非正弦波，如圖6.4.18所示。將展開為傅立葉級數由(6-4-2) 可知：中的基波分量與輸入信號電壓相乘 混頻（變頻）跨導定義：輸出中頻電流的幅值與輸入信號電壓幅值之比。功能：描述輸入信號電壓對輸出中頻電流的控制能力，用于衡量混頻器的變頻能力。混頻（變頻）跨導和時變跨導的關系：回路的中頻輸出電壓相應的混頻增益為AC= = Re其中，為輸出中頻回路諧振電阻；為中頻電流幅值。混頻跨導（即）越大,變頻增益越高。 與 ULm 和VBB0 關系在滿足線性時變條件下，三極管混頻電路的混頻增益與混頻跨導 gmc 成正比（AC= = Re）。而大小與晶體管參數

15、、本振電壓幅度ULm和靜態偏置電壓VBB0有關。圖 6.4.20分別畫出了與ULm和Eb(VBB0)關系曲線。 圖 6.4.19(a)說明“如何畫出g(t)的解析波形”三極管的轉移特性曲性 uBE-iC，曲線上各點的斜率的連線即為跨導特性 g (uBE) 。在uBE = VBB(t) 的作用下，便可畫出 波形。圖 6.4.19(a)g(t) 的圖解分析圖 6.4.19(b)說明“g(t)、與本振ULm的關系”圖6.4.19(b) g(t)、與ULm的關系圖6.4.20 g(t)、與Eb(VBB0)的關系結論：與本振信號幅值ULm和靜態偏置電壓Eb （VBB0）的關系是非線性關系。ULm和Eb過

16、大或過小，都較小，只有在一定范圍內較大。當VBB0 （或Eb）一定，ULm 由小增大時， gmc 也相應地增大，直到 g (t) 趨近方波時，相應的便達到最大值。實際三極管混頻電路采用分壓式偏置電路，當ULm 增大到一定值后，由于特性的非線性，產生自給偏置效應，基極偏置電壓將自靜態值 VBB0 向截止方向移動，因而相應的也就比上述恒定偏置時小。結果使隨ULm 的變化如圖 6.4.21 實線所示。圖 6.4.21隨ULm 變化的特性可見，相應于某一ULm 值， 和相應的混頻增益達到最大值。 該ULm 值就是最佳本振電平。實踐證明，在中波廣播收音機中，為了使變頻跨導最大，這個最佳的ULm 約為 2

17、0 200 mV。反之，當ULm 一定時，改變 VBB0(或 IEQ) 時，gmc 也會相應變化。實驗指出，IEQ 在 0.2 1 mA 時，近似不變，并接近最大值。2 .具體電路和工作狀態的選擇（這部分內容只做了解）混頻器有二個輸入，輸入信號和本振電壓。共射極混頻電路 ：本振信號由基極串聯方式注入本振信號由射極注入 下圖所示是常用三極管混頻器的幾種基本形式。電路的共同特點是利用三極管轉移特性的非線性實現頻率變換的。圖 6.4.21常用的三極管混頻電路（a） (b) （c） (d)若輸入信號uS和本振信號uLO從同極注入，則可能導致本振頻率受輸入信號頻率的牽引，出現本振頻率等于信號頻率的現象，

18、甚至得不到所需的差頻或和頻電壓；若和從兩極注入，則相互影響小，不易產生牽引現象。但本振電壓從基極注入，電路需要的本振功率小；本振電壓從射極注入，電路需要的本振功率大。圖 6.4.21給出了幾種常用的三極管混頻電路的形式。它們的區別是本振電壓注入方式和三極管交流地電位的不同。電路形式(a)和(b)都是共射極電路電路形式。(a)的本振電壓由基極注入，需要本振提供的功率小，但信號電壓對本振的影響較大。電路形式(b)的本振電壓由發射極注入，需要本振提供的功率大，但信號對本振影響小。電路形式(c)和(d)都是共基極電路，與(a)、(b)電路相比的輸入阻抗小，變頻電壓增益小，不易起振。在頻率較低時，一般不用該組態。但當頻率較高時，因為，這時它們的變頻電壓增益可能比共射組態大，可采用這二種組態。也就是說，這種電路工作頻率高、穩定性好。 二、.其它混頻電路簡介(i)場效應管混頻前面我們介紹了場效應管與三極管混頻各自的優勢。場效應管混頻器的工作原理與分析類似于晶體管混頻器，但由于場效應管的特性近似如平方律，組合頻率分量少，增益高，工作頻率高，噪聲低，允許輸入信號動態范圍大等優點。場效應管混頻(在短波、超外差接收機中將廣泛應用)又可分為二類。(a)結型場