1、高頻實驗二 晶體三極管混頻電路實驗一、實驗目的1.進一步學習變頻電路的相關理論、工作原理以及基本電路結構。2.掌握三極管混頻電路的工作原理和調試方法。3了解熟悉其他變頻方法以及電路。4學會通過仿真而了解混頻電路特性以及各電路原件的作用的方法。二、實驗儀器1小信號調諧放大器實驗板2200MHz泰克雙蹤示波器(Tektronix TDS 2022B)3. 8808A FLUKE萬用表4.220V市電接口5.EE1461高頻信號源6.AT6011 頻譜分析儀7.PC一臺(附有multisim仿真軟件)三、背景介紹：在通信技術中，經常需要將信號自某一頻率變換為另一頻率，一般用得較多的是把一個已調的高頻

2、信號變成另一個較低頻率的同類已調信號。例如：在超外差中波接收機中，經天線接收到的高頻信號(載頻位于535 kHz1605kHz中波波段各電臺的普通調幅信號) 通過變頻，變換成465kHz的中頻信號；在調頻廣播接收機中, 把載頻位于88 MHz108MHz的各調頻臺信號變換為中頻為10.7MHz的調頻信號。完成這種頻率變換的電路稱變頻器，采用變頻器后，接收機的性能將得到提高。圖 2-1混頻器的電路模型 本振信號用于產生一個等幅的高頻信號UL ，并與輸入信號US經混頻器后所產生的差頻信號經帶通濾波器濾出。目前，高質量的通信接收機廣泛采用二極管環形混頻器和由差分對管平衡調制器構成的混頻器，而在一般接

3、收機（例如廣播收音機）中，為了簡化電路，還是采用簡單的三極管混頻器。四、實驗原理 高頻電路中的混頻器利用電路中的非線性，可以對兩個輸入信號進行頻率加或減，產生和頻信號或差頻信號。本實驗采用晶體三極管作混頻電路,產生茶品信號，將高頻信號轉化成低頻信號。晶體管混頻電路原理圖如下圖2-2所示。其中，晶體管起信號的混頻作用，兩個輸入信號分別為和；電容Cin1、Cin2、Cout為信號輸入和輸出的耦合電容，起到隔直流的作用，使前后級的直流電位不相互影響，保證各級工作的穩定性；電容Ce對高頻交流信號相當于短路，消除偏置電阻Re對高頻信號的負反饋作用，提高高頻信號的增益；電阻元件Rb1、Rb2、Re決定晶體

4、管的工作點；電路中的電感L和電容C組成的諧振電路起選頻作用，在產生的組合頻率中選擇所需要的中頻輸出信號。vin1VCCRb1R b2Re CeVoutLCCin1CoutCin2vin2圖2-2 晶體管混頻器實驗原理電路公式推導：在忽略三極管內部反饋和集電極電壓反作用的情況下，基極電壓和集電極電流的函數關系可以寫為 將上式用泰勒級數展開，鑒于很小，可以忽略二次方以及以上各項，并將各表達式代入，可得運用數學手段，化簡上式，提取中頻頻率,那么中頻電流分量為 ，其振幅為，輸出的中頻電流振幅與輸入的高頻信號電壓振幅之比，稱為變頻跨導,并且有.實驗電路：晶體三極管混頻電路實驗電路如圖2-2所示。本電路使

5、用的是共發電路，本振電壓UL(FL頻率為10.7MHz)從晶體管的發射極e輸入，信號電壓Us(頻率Fs為10.245MHz)從晶體三極管的基極輸入，混頻后的中頻(Fi=FL-Fs)信號由晶體三極管的集電極輸出。輸出端的帶通濾波器必須調諧在中頻Fi上，本實驗的中頻為Fi=FL-Fs=10.7MHz-10.245MHz=455kHz。且電路中,即本振電壓為大信號，輸入信號電壓為小信號。圖2-3 晶體三極管混頻電路實驗電路圖電容C1是隔直電容，滑動變阻器RW1和電阻R1,R2是晶體管基極的直流偏置電阻，用來決定晶體管基極的直流電壓，電阻R3是射極直流負反饋電阻，決定了晶體管射極的直流電流Ie。晶體管

6、需要設置一個合適的直流工作點，才能保證混頻器電路正常工作，有一定的電壓增益。通常，適當的增加晶體管射極的直流電流Ie可以提高晶體管的交流放大倍數，增大混頻器電路的變頻增益。但Ie過大，混頻電路的噪聲系數會急劇增加。對于混頻器電路，一般控制Ie在0.2-1mA之間。電阻R4是混頻器的負載電阻。電容C3，C4是混頻器直流電源的去耦電容。五、實驗準備第一部分：理論計算 要產生455kHz的中頻信號，那么兩輸入信號的頻率差就應為455kHz，鑒于實驗室比較容易獲得10.7MHz的高頻信號，那我們不妨就取本振信號為10.7MHz，于是輸入信號的頻率就應為10.7MHz-455kHz=10.245MHz。

7、另外為了滿足本振信號是大信號，輸入信號是小信號的約束條件，我們不妨就取輸入信號=100mV,=500mV。下面來計算諧振回路的LC，諧振回路所起的主要作用就是選頻，即選出頻率是455kHz的中頻信號，即,從而我們不妨取L=10uH，C=12nF,把這些參數值代入仿真電路即可第二部分：仿真 下圖為仿真時的電路圖：步驟一、輸入信號的頻率為10.245MHz，本振信號的頻率為10.7MHz，兩者的頻率差為455kHz，仿真觀察輸出信號的波形及頻率（波形記錄如下）。頻率計顯示的輸出信號的頻率：比較密的是輸入波形，稀疏的是輸出波形該變頻增益將Timebase調小，將圖形放大了測量其幅值， 步驟二、在仿真

8、過程中增加射極電流Ie的值，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（噪聲，失真度）射極電流（mA）0.6060.7981.17452.238變頻增益（倍）6.898.13710.6714.72規律總結：隨著射極電流的增大，電路的變頻增益也逐漸增大。但是隨著射極電流的增大，混頻電路的噪聲系數會急劇增加，受噪聲影響輸出波形有很多毛刺（如下圖）。毛刺很多，很不光滑。（噪聲的影響）步驟三、在仿真過程中增加本振信號的幅度，保持輸入信號幅度100mV不變觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（噪聲，失真度）本振信號幅度（mV）3005007001000變頻增益(倍)6066.897.097.4

9、4規律總結：變頻增益隨著本振信號電壓幅度的變大而增加。步驟四、在仿真過程中保持本振信號的幅度500mV不變，增加輸入信號的幅度，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（噪聲，失真度）輸入信號幅度（mV）2050100200變頻增益（倍）10.698.116.894.22規律總結：變頻增益隨著輸入信號幅度的增加而減小。六、具體實驗內容及步驟1.中頻頻率觀測在實驗箱主板上插上晶體三極管混頻電路實驗模塊，接通實驗箱上電源開關電源指標燈點亮。 由高頻信號源產生10.7MHz的正弦信號，作為本振信號接入晶體三極管混頻電路實驗模塊IN2端，高頻信號源產生的10.245MHz輸入信號接入IN1端。調整

10、兩個信號的大小，本振信號幅度為500mV，輸入信號的幅度為100mV，調整分壓電阻RW1使晶體管的射極電流在1mA左右，用示波器觀測 TP3點并用頻率計測量OUT端頻率，應有頻率為455kHz的信號輸出。調整微調電容CV，使輸出信號幅值最大、失真最小。經過不斷調節，我們得到的輸出幅值最大、失真最小的波形如下圖此時輸出波形的頻率示波器上顯示的卻是是455kHz。此時的實驗條件是：輸入信號幅度為111mV,頻率為10.245MHz；本振信號幅度為500mV,頻率為10.7MHz。輸出信號賦值為207mV。為什么波形的負半周期會有那么多噪聲？試解釋之。原因1：本振源里面存在雜散噪聲所引起的。圖中為本

11、振頻率，在本振信號兩側存在邊帶噪聲，如虛線三角部分所示。是有用信號頻率。與混頻后，產生中頻 。與為兩個干擾信號。它們與混頻后，產生的頻率分量可能不在中頻通帶之內，因而不會引起干擾哨聲。但或與邊帶噪聲中的某些噪聲分量混頻后，可能產生正好落在中頻通帶內的頻率分量，形成中頻噪聲，結果使得輸出信噪比下降，從而出現如上的波形。解決方法：使用好一點的射頻信號源，使得本振信號的頻譜盡量純凈。原因2：為了探究其原因，我逐個的檢查電路各點的信號，發現一個奇怪的現象就是輸入本振信號在未連入到電路中時用示波器測量波形很完好，但連入電路中之后就發現波形的負半周已經不穩定，波形總是晃動而且還變形。有晃動的不穩定的波紋由

12、此可以聯想輸出波形的負半周那么多噪聲正是由于這些波紋造成的，這些晃動的波紋通過混頻器之后輸出的波在信號負半周疊加，從而才出現了上面怪異的輸出波形。而這些晃動的波紋是由于高頻電路本身對電路的影響造成的（因為只有在信號源接入電路之后測得的信號源輸出的信號才是這樣），所以我們只要減小電路本身對信號源的影響就想了，可行的辦法之一就是在射極電阻的兩端并聯一個電容（如右圖），這樣可使整個電路本身對信號源的影響大大減小。2當改變高頻信號源的頻率時，輸出中頻 TP3的波形作何變化，為什么？ 答：當改變高頻信號源的輸出頻率時，不管是輸入信號頻率還是本振信號頻率，輸出中頻波的波形基本不變，只是頻率改變，這是因為變

13、頻器只是改變信號頻率，并不改變其波形，且中頻頻率為，當你改變或是時，顯然會變，所以輸出信號只有頻率的變化，波形并不改變。3. 混頻的綜合觀測用高頻信號源產生中心頻率為10.245MHz的調幅信號，接入晶體三極管混頻電路實驗模塊IN1端，由高頻信號源產生的10.7MHz本振信號接入IN2端。調整兩個信號的大小和RW1，用示波器觀測 TP3點波形，特別注意觀察TP1和TP3兩點波形的包絡是否一致。上面的為輸入的調幅波的包絡；下面的為輸出中頻信號的包絡此實驗現象再次驗證了混頻器只將已調高頻信號的載波頻率從高頻變為中頻，并不改變其調制規律。4.觀察靜態工作點對混頻器增益和輸出波形的影響。逐步增加射極電

14、流Ie的值，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（易知由于射極電阻大小不變，所以只要改變射極電壓的大小就可以改變Ie，顯然改變Ve實質上也就變成改變的大小了，即旋轉RW1即可）Ve(V)3.284.245.065.89輸出信號電壓（mV）198207233254規律總結：與仿真結果一致，隨著射極電流的增大，電路的變頻增益也逐漸增大。原因解釋：有這樣的實驗公式，三極管混頻器的變頻跨導運用數學的手段分析該式，我們可以得到在一定的范圍內是隨著的增大而增大的，而由前面的推導可知越大越大，所以隨著的增大而增大。當然由于我們用的實驗箱限制，所有器件參數都固定好了，達不到大的電流，所以觀察不到仿真過

15、程中出現的“隨著射極電流的增大，混頻電路的噪聲系數會急劇增加，受噪聲影響輸出波形有很多毛刺”的現象。5. 觀察本振信號幅度對混頻器增益和輸出波形的影響。逐步增加本振信號的幅度，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。下面是實驗記錄結果：（輸入信號的幅值一直保持111mV）本振信號幅度（mV）5006007008009001000輸出信號幅度(mV)207237251265271275混頻增益（倍）1.862.132.262.392.442.48規律總結：與仿真結果類似，隨著本振信號幅度增加，電路的變頻增益在逐漸大。原因解釋：該圖很形象地告訴知道，輸入本振電壓的幅度越大，那么也就越大，根據關

16、系式，可知會隨著本振信號幅度的增大而增大，從而也就解釋了如上的規律。6.觀察輸入信號幅度對混頻器增益和輸出波形的影響。逐步增加輸入信號的幅度，而保持本振信號不變，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。輸入信號幅度（mV）111166220272330輸出信號幅度（mV）207224234242248變頻增益（倍）1.861.351.060.890.75規律總結：變頻增益隨著輸入信號幅度的增加而減小，甚至減小到無增益反而是衰減的情況。原因解釋：有這樣的公式，當輸入信號的幅度逐漸增大時，由于其在分母上，而分子基本不變，所以在逐漸變小，即隨著輸入信號幅度的增加，混頻器的變頻增益也會逐漸下降由前

17、面的推導可知，混頻器的輸出中，除了需要的中頻電流外，還存在一些諧波頻率和組合頻率，這些組合頻率可以用通式表示為通過這些組合以及聯系實際我們知道產生組合副波道干擾的干擾信號頻率為 ,當該式中p=1,q=1時，即 ，此時就產生了鏡像干擾。亦即，信號頻率比本振頻率低一個，干擾頻率比高一個，兩者對稱的分布在兩側。根據上面的理論，我們輸入頻率11.155MHz干擾信號，發現輸出的波形與輸入10.245MHz的時候相差無幾，用傅里葉變換可得其頻譜圖如下：七、實驗回顧通過這次試驗，加強了我們思考問題和解決問題的能力，我對三極管混頻電路的原理有了更深刻的理解。我覺得學理論知識的時候可能由于書本上的知識點太多，

18、平時的學習并不能很好地理解和運用，然而通過實驗，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更深的理解，平時看課本時遇到的想不通的問題，做完實驗后變得清晰明朗起來，果然知識來源于實踐。回顧整個過程，覺得有些還問題還沒有說清楚，現補充了如下：問題1、為什么混頻電路的電壓增益會隨本振信號幅度（輸入信號幅度不變）的增大而增大，當增大到一定程度后又逐漸減小？答:輸入信號幅度不變時，逐漸增加本振信號的幅度，剛開始由于本振信號的幅度較小，晶體管的變頻跨導較小，此時隨著本振信號幅度的增加，晶體管的變頻跨導也逐漸增加，混頻器的變頻增益逐漸增加。當本振信號幅度達到一定大小時，再增加本振信號的幅度，晶體

19、管工作點的變化更加劇烈，晶體管的變頻跨導就會逐漸下降，混頻器的變頻增益也逐漸下降，并且混頻器的噪聲系數會大大增加。問題2、混頻器常用的非線性器件有哪些，對這些器件做些比較？答：混頻器常用的非線性器件有二極管、三極管、場效應管和乘法器。其中二極管混頻器又可以分為二極管平衡混頻器和二極管環形混頻器等，目前二極管混頻器的集成電路已經在市面上廣泛使用。二極管混頻電路的主要特點是：1.混頻電路本身沒有增益；2.混頻后出現的非線性分量較少；3.混頻電路的輸入信號線性范圍較大。三極管混頻器與場效應管混頻器的混頻原理差不多，但三極管混頻電路和場效應管混頻電路相比：1.具有較大的電壓增益。 2.電路噪聲和非線性分量較多； 3. 工作頻率比場效應管混頻電路的要低。 模擬乘法器可以實現兩個輸入信號的乘積，即可得信號，它可以分解成頻率為和的兩個正弦波的疊加，于是在模擬乘法器后面加上帶通濾波器將的頻率分量濾掉就達到混頻器的功效了。問題3、四種晶體管混頻電路的優缺點比較？晶體管混頻器的電路有多種形式，一般按照晶體管組態和本地振蕩電壓注入點的不同有下圖所示的四種基本電路， (a) (b) (c) (d)其中（a）和（b）為共發混頻電路，圖（a）信號電壓由基極輸入，本振電壓也由基極注入。圖（b）信號電壓由基極輸入，本振電壓由發射極注入。圖（c）和圖（d）為共基混頻電路，