Chapter5非线性电路、时变参量电路和变频器

Chapter 5 非线性电路、时变 参量电路和变频器§5.1 非线性电路的特性及分析方法 §5.2 线性时变参量电路分析 §5.3 变频电路

§5.3 变频电路

5.3-1 概述 5.3-2 晶体三极管混频器 5.3-3 混频器的干扰

5.3-1 概述1. 混频器的作用与组成 混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到 某一固定的频率上(常称为中频),而保持原信 号的特征(如调幅规律)不变。 混频器的电路组成如图所示vs t混频器 非线性器件 滤波器 vi t

v0 fo f本机 振荡器

tfi f

f0

f

2

为什么要变频？ 变频的优点： 1)变频可提高接收机的灵敏度 2)提高接收机的选择性 3)工作稳定性好 4)波段工作时其质量指标一致性好 变频的缺点： 容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰

3. 变频器的分类按器件分：二极管混频器、 三极管混频器、三极管变频器、 模拟乘法器混频器 场效应管混频器、场效应管变频器 按工作特点分： 单管混频 平衡混频、 环型混频

从两个输入信号在时域上的处理过程看： 叠加型混频器、 乘积型混频器

4.混频器的性能指标1)变频(混频)增益： 混频器输出中频电压Vim与输入信号电压Vsm的 幅值之比。 2)噪声系数： 高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。 3)选择性： 抑制中频信号以外的干扰的能力。 4)非线性干扰： 抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。 上述的几个质量指标是相互关联的，应该正确选择管子的工 作点、合理选择本振电路和中频频率的高低，使得几个质量 指标相互兼顾，整机取得良好的效果。

图示中的非 线性器件具有 如下特性：

vs(t)

v

非线性 器件

i

带通

vI (t)

vo(t)

叠加型混频器实现模型

i f (v ) a0 a1v a2v 2 a3v 3 2 对其2次方进行分析： a2v 2 a2 (v s v o )2 a2v s2 a2v o 2a2v sv o

在二次方项中出现了和的相乘项，因而可以得到( 0+ s)和 ( 0- s)。若用带通滤波器取出所需的中频成分(和频或差 频),可达到混频的目的。

所用非线性器件的不同， 叠加型混频器有下列几种： 1.晶体三极管混频器 它有一定的混频增益 2.场效应管混频器 它交调、互调干扰少 3.二极管平衡混频器和环形混频器 它们具有动态范围大 组合频率干扰少的优点

乘积型混频器由模拟乘法器 和带通滤波器组成 其实现模型如图所示 设输入信号为普通调幅波vs ( t ) Vsm (1 ma cos t ) cos s tV0 (t ) kv sv 0 (t )

vs(t)

vo(t)

带通

vI(t)

vL(t)

乘积型混频器实现模型

v o ( t ) Vom cos o t

K VsmVom (1 ma cos t )[cos( 0 s )t cos(( 0 s )t ] 2

采用中心频率不同的带通滤波器( 0– s)t或( 0+ s)t则可 完成低中

频混频或高中频混频。

5.3-2 晶体三极管混频器如图所示为晶体三极管混频器的原理电路+ vs – + vo – (a)

fi

图(a)电路对振荡电压来说是共发电路， 输出阻抗较大，混频时所需本地振荡注 入功率较小。但因为信号输入电路与振 荡电路相互影响较大(直接耦合),可能 产生频率牵引现象。 图(b)电路的输入信号与本振电压分别从 基极输入和发射极注入，产生牵引现象的 可能性小。对于本振电压来说是共基电路， 其输入阻抗较小，不易过激励，因此振荡 波形好，失真小。但需要较大的本振注入 功率。

+ –

vs

+ vo – (b)

fi

+

– + vo – (c)

vs

fi

+ –

vs

+ vo – (d )

fi

图(c)和(d)两种电路都是共基混频电路。在较低的频率 工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较 低时一般都不采用。但在较高的频率工作时(几十MHz), 因为共基电路的截止频率f 比共发电路的f 要大很多， 所以变频增益较大。因此，在较高频率工作时采用这种 电路。

晶体管混频器的分析1. 基本电路和工作原理+ L1 C1 T + ebe – + ece –

ic

vs

C2

L2

vi

+ + v0 –

– VBB

–

+ VCC

上图为晶体三极管混频器的原理电路。图中， VBB为基 极偏臵电压，VCC为集电极直流电压，L1C1组成输入回路， 它谐振于输入信号频率 s。L2C2组成输出中频回路，它谐振 于中频 i= o– s。 设输入信号 v s Vsm cos s (t ) ,本振电压 v o Vo cos o t 实际上，发射结上作用有三个电压 e be VBB v o v s

晶体管混频器的分析方法1.幂级数分析法在小信号运用的条件下，也可以将某些非线性元器件 函数表达式用幂级数函数近似，使问题简化。用这种方法 来分析非线性电路可突出说明频率变换作用，不便于作定 量分析。 i = a0+a1v+a2v2+a3v3+……

2.变跨导分析法在混频时，混频管可看着一个参数(跨导)在改变的线 性元件，即变跨导线件元件。

ic a b b O O2

a1 b1

变跨导分析法由于信号电压 Vsm 很小，无论它 工作在特性曲线的哪个区域，都可以 认为特性曲线是线性的 ( 如图上 ab 、 a b 和a b 三段的斜率是不同的)。因 此，在晶体管混频器的分析中，我们 将晶体管视为一个跨导随本振信号变 化的线性参变元件。 因Vo>>Vsm使晶体管工作在线 性时变状态，所以晶体管集电极静 态电流ic(t)和跨导gm(t)均随 v o作周 期性变化。

a2 ebe ebe

VBB t

加电压后的晶体管转移特性曲线

由于信号vs远小于v0,可以近似认为对器件的工作状态 变化没有影响。此时流过器件的电流为i(t) = f(v)= f(v0+ vs+ vBB)

可将v0+ vBB看成器件的交变工作点，则i(t)可在其工作 点(v0+ vBB)处展开为泰勒级数 1 2 Q v1 )v2 Q v1 )v

2 i(t) f(vQ v1 ) f (v f (v 2! 1 ( n) 2 f (vQ v1 )v2 n! 由于 vs 的值很小，可以忽略二次方及其以上各项，则 i(t)近似为

i(t) f(vBB v0 ) f'(vBB v0 )vs

其中f(v0+vBB)是vs=0时仅随v0变化的电流，称 为时变静态电流，f (v0+ vBB)随v0+vBB而变化，称 为时变电导g(t),电流可以写为 i(t) Io(t)+g(t) vs(t) 将

vBB+v0=VBB+V0mcos 0t vs= Vsmcos st

代入式展开并整理，得i c ( I c 0 I cm1 cos 0t I cm 2 cos 2 0t ) ( g o g1 cos 0t g 2 cos 2 0t )Vsm cos s t