晶体三极管混频器的设计

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1、课程设*计报告题目 ：晶体三极管混频器的设计学生姓名：*学生学号 ：*系 别：电气信息工程学院专业：通信工程专业届另U：2014届指导教师：*电气信息工程学院制2013 年 5 月晶体三极管混频器的设计学生：*指导老师：*电气信息工程学院：10 级通信工程专业1 三极管混频器的设计内容及要求1.1 设计内容在本次课程设计中采用了 Multisim 仿真软件对三极管混频器进行设计及绘 制，并模拟仿真。从理论上对电路进行了分析。选择合适的预案器件，设计出满 足要求的三极管混频器。1.2设计要求设计一个三极管混频器，要求中心频率为10MHZ，本振频率为16.455MHZ。1.3 混频器工作原理及系统

2、框图 一个实际应用中调幅收音机的混频电路的主要功能是使信号自某一频率变 换成另外一个频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。它能将高频载波信号或已 调波信号进行频率变换，将其变换为频率固定的中频信号。而变换后的信号，它 的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。混频电路 的类型较多，常用的模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环形混频器、三极管 混频器等。其中三极管混频器最为常用，其工作原理图如下： 中频输出 中频谐振回路 f 中高频信号. 混频器 f外本本机振荡器图 1 系统原理图从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频 器电路和中频滤波网络，各部分独立工

3、作。本地振荡器产生稳定的振荡信号 （设其频率为 f ）,输入的高频调幅波信号（设其频率为 f ），由于晶体管的非线性特LC性，两个信号混合后会产生f + f、f - f频率的信号，然后通过中频滤波网络,L C L C取出 f - f 频率的信号，调节好 f 、 f 的大小使其差为中频频率，即所需要L C L C的中频信号 6.455MHZ。以下是混频前后的波形图和混频前后的频谱图Y o混频电路 时) A r图 2 混频前后的波形图如上波形图可以看出，混频器上加了两个信号：输入调幅信号VS (t)和本振信 号VL(t)，经过变频后，输出中频信号V(t)。输出的中频调幅波输入的高频调幅 波调幅规律

4、完全相同，唯一差别就是频率不同。图 3 组成模型混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移，如图 3 所示。illlli illlli巒通滤波器频率特章y ( # )的频谱nilllhhlllliiil.“I川 hhlllhiO 3=QlGl+Qce(c图 4 混频前后的频谱图若设输入调幅信号VS(t)相应的频谱如图4(b)所示，当f f时，相乘器的S , L C输出电压频谱如图4 (c)所示，即将VS(t)的频谱不失真地搬移到本振角频率wc的两边，一边搬移到(e+e )上，构成角频率为(e+e )的调幅信号；另一边搬L C L C移到（）上，构成角频率为（）的调

5、幅信号。若令二（-），则前L C L C I L C 者为无用的寄生分量，而后者则为有用的中频分量。因此调谐在/上的带通滤 波器的频带宽度应大于或等于输入调幅信号的频谱宽度。1.4三极管混频器的设计方案本课程设计我的电路是用 10MHZ 的交流信号电压源、本振电路（产生 16.455MHZ）、三极管混频器电路以及选频电路组成。信号源所产生的10MHZ的 正弦波与本振电路所产生的 16.455MHZ 正弦波通过三极管进行混频后产生和 频、差频信号及其它频率信号，然后通过滤波网络滤掉不需要的频率分量，取出 差频（6.455MHZ）的信号，即为所需的6.455MHZ信号。2 电路设计及其原理分析2.

6、1 本地振荡电路本地振荡电路是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部 分。其作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高 频调幅信号通过混频电路得到f + f、f-f的信号，其中f为本地振荡器产生 L C L C L的正弦信号频率， f 为输入的高频调幅波信号频率，通过中频滤波器得到中频信C号 f - f 。即本地振荡器主要是产生一个正弦高频信号，若振荡器不能够稳定的 LC工作，就会使产生的中频信号不稳定，为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这 里采用高稳定度的西勒振荡器。2.1.1 振荡器起振条件正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反

7、 馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡， 变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正 反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有 源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图 5 即为 LC 三点式反馈式振荡器的原理图。通过我们对高频电路的学习知道，三点 式振荡电路的组成法则是：交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出 端点相连接，其中与发射极相接的为两个同性质电抗，而另一个（接在集电极与 基极间）为异性质电抗。图 5 三点式振荡器的原理电路2.1.2 电路及电路参数的选择如图

8、 6 所示，此次设计的本振电路采用的是西勒振荡器，它是改进型电容三点式振荡器，其主要特点是在回路电感L两端并联了可变电容C4，而C3为固定值电容器，且满足Cl、C2远大于C3, Cl、C2远大于C4，回路总等效电容l沁 C 3 + C 4 lll+) + C 4Cl C2 C31.2.1振荡频率为：f -尹C2叭L(C3 + C4)1.2.2图 7 交流等效电路根据西勒振荡电路的特点，C3的大小对电路性能有很大影响。因为频率是 靠调节C4来改变，所以C3不能过大，否则振荡频率主要由C3和L决定，因为 将限制频率调节的范围。此外，C3过大也不利于消除晶体管极间电容的影响。在西勒振荡电路中，L和C

9、1-C4的值可用式（1.2.1）计算出，不过若L与C 的比值太小的话，在低频下难以振荡。有大致的标准，即振荡频率为1MHZ时，L在10uH以上；10MHZ时L1uH。另需注意C1、C2的大小，若C2/C1太小，波形就会受限制，同时也会增加输出波形中的高次谐波。反之，若太大，不能够完全补偿振荡电路的损耗而停振。又由于本电路要产生16.544MHZ的信号，所以f =16.455MHZL即 f = 16.455 MHZ2兀 JLC综上所述，可以取值 C1=60PF,C2=120PF,C3=30PF,C4=18PF,L2=2.5uH其它主要器件的参数如下，C5=300PF为基极耦合电容，R3=100用

10、来限制射 极电流， R1=12K,R2=2K 为基极偏置电阻，用来给三极管确定一个合适的静态工 作点， L1 为高频扼流圈。2.2 混频电路 三极管混频器的特点是电路简单，有较高的变频增益，要求本振电压幅度较 小，当信号电压较大时会产生非线性失真。2.2.1 混频原理电路图8是三极管混频器的原理电路。图中，L1C1为输入信号回路，调谐在f11C 上。L2C2为输出中频回路，调谐在/上。本振电压v = V cost接在基极回路2 2 I L Lm L中 ， VBB0 为 基 极 静态偏置电 压 ， 由图可见， 加在 发射结上 的电 压vBE二VBB0 +vL +vs。若将(VBBo +二)作为三

11、极管的等效基极偏置电压，用vBB(t) 表示,称之为时变基极偏压，则当输入信号电压vs = V cosot很小，满足线性时Ssmc变条件时，三极管集电极电流iC祖f (vBE)祖IC0(vL) + gm(vL)vs%(r)图 8 三极管混频器的原理电路在时变偏压作用下，gm(vL)的傅里叶级数展开式为gm 二 gm(t)二 g0 + gm1C0S O + gm2C0S 2呼 +gm(t)中的基波分量gm1cosoL与输入信号电压vS相乘1g coso t - V coso t = g V cos(o,-o )t + cos(o,+o )tm1L smc 2 m1 smL cL c令o二(o -

12、o )，得到的中频电流分量为ILC1iI 二 1 Imcos o I = 2 gm1Vsm 8$ t 二 gmHm 8$ II1其中 g二二g 1称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值I 对输入mc V 2 m 1Imsm信号电压幅值V之比，其值等于g (t)中基波分量的一半。 smm若设中频回路的谐振电阻为 R,则所需的中频输出电压 v/ = -itR，eII e相应的混频增益为AC二匕皿二-g RC V mc esm综上所述，在满足线性时变条件下，三极管混频电路的混频增益与gmc成正比。而g又与匕 和静态偏置有关。mcLm2.2.2 设计电路及电路参数选择如图 9 为晶体混频器的设计电路。电

13、路的输入信号（用 10MHZ 的信号源代 替）与本振电压分别从基极输入和发射极注入。该电路主要由 Q2 和 6.455MHZ 选频回路（图 10）组成。在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要的振荡信号，这种 振荡称为计生振荡。为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生振荡，在设 计电路时加入了 C8、C12、L5。而在信号源连接处加一电容是为了滤波用，如C6、C7、CIO。R4、R5、R6用来确定静态工作点，通过改变电阻R4的值来改 变混频器晶体工作点，使其工作在适合的非线性区域，同时也可以用来调节混频 增益。而选频电路的取值：八占=6-455MHZ倒推可得： LC = 607.9

14、2 x 10-8 F - H从而通过对结合仿真效果，可取 L=3uH， C=200pF。2.3 总电路图图 11 总电路图R3J叽:8 ： ： ： ： ：3 三极管混频器的仿真和调试3.1 仿真软件介绍Multisim 软件是迄今为止，在电路级仿真上表现最为出色的软件，有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电 路设计、仿真、分析工作。Multisim软件的前身是加拿大IIT（ElectronicsWorkbench），后来，EWB将原先版本中的仿真设计模板更名为Multisim，之后 又相继推出了 Multisim2001、 Multisim7 等各

15、个版本。2005年后，加拿大IIT公司隶属于美国国家仪器公司（National Instrument， 简称NI公司），美国NI公司于2005年12月首次推出Multisim9版本Multisim9 最大的改变就是将 Multisim 的计算机仿真与虚拟仪器进行了完美的结合。 2007 年初该公司又推出了 NI Multisim10版本。相对于其它EDA软件，它具有更加形 象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。完全满足电路中各种仿真需要。2010 年 1 月 NI 公司下属的 Electronics Workbench Group 又推出了 NIMultisim

16、ll。该版本是NI公司电子线路仿真软件的最新版本。3.2 各部分电路的仿真及调试本地振荡电路的仿真结果如下诊 F reqCou nter-X FC216.444 MHzS3瞬 Osc i 11 osco pe-XSC2图12本地振荡电路旳仿真结果-三极管混频电路的仿真及调试：当 R4 为5 时的输出频率和输出波形如下所示：瞬 FreqCounter-XFCl6.45 FFreqPeriodlFuEseFLWFRI -CouplingACDCMHzrtiu口制 Ip| mVpvSlow Change Signal Compression RateB L,.JTlExt. Trigger呀 Osc

17、 i 11 osco pe -XSC1Cannel BX poertion | -3|7T Adki| B| Ab| AC 0 | Cj|Type jSi l 忖0匚 | 戊mtolEonmY position |oY position |oTimebaseSea色 1200 ns/D沖Channel BScale 15 V/DivTrigger Edge PF T1FLevelT1 *T2-T1Time Cfiannel_A 200.101 us-SO3.S11mV200.101 us-&33.S11mV0.000 sO.OTOV- Cban nel A Scale pMmV/Div图13

18、R4为5K0时的仿真结果从仿真结果看稍有失真，猜测可能是此时的R4=5K0时静态工作点调制不 是很理想，所以通过对滑动变阻器 R4 的调试，应该可以取得最大不失真信号。 即当R4=6.1K0时，波形如下图14所示，明显的失真更小，而当R4=8K0时, 波形如图15所示，波形又开始失真，所以当R4=6.1KQ时，工作状态最好。f暂 F reqCou nte r-X FC1S36.442 MHzCoupling SkxA! Change SignalCompression RateF Zr寥 Osd 11 oscope-XSC 1S3-RT1 jTimeChBriinel AChaninel B3

19、79.331 us-423.916 mV12 g+179.3S1 us-423.916 mVT2-T1O.OOTsO.OOTV图 14 R4二时 6.1的仿真结果S3pas it ionpas it ionposrtior 0Chaninel BScale 甌0 I DelAC寸DC4 总结破 Osc i 1105co pe-XSC 1Chariinel BAdki BjA|Ai B|Type Sing-1 Nor. | Aujto|No-Time baseScafe 矗 rts/DivSatm | Ext. TriggerTrigger 果一毛 LevelTime Cfiannel_A 12

20、8.006 us-38.679mVIzB.MB us-38.679mVO.OTO sO.OTOVT- *T2T2-T-，系统的三个主要部分是本地振荡电路、晶体管混频器和选频电路。在做课程设计之前复 习之前学的高频电子线路，把理论知识掌握然后根据理论去设计。通过查找资料， 结合书中所学的知识并参考了多个相关的设计电路图，在 multisim 软件中绘制 并仿真。在设计各个环节中都遇到了很多问题：首先，参数的选定很难，课堂上 基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标，很少要计算选定器件的参 数，从资料或网上得到的数据很多都有问题，必须经过修正和调试才能确定出器 件的参数，只有正确的参数，才能

21、够设计出我们所想要的输出结果；其次有些时 候理论上符合要求的电路，仿真后却得不到相应的结果。也正是这些问题的出现， 让我学到了更多的知识，以及设计的技巧。出现问题的时候，首先思考问题的环 节，然后通过上网查询及翻阅相关书籍，请教其他同学在这个过程中对以前所学 的知识有了更深刻的了解，也明白了所学知识的应用范围，收获很多。通过这次课程设计，让我感受到理论应用于实际中的难度，认识到理论联系 实际的重要性。我做的三极管混频器所应用到的理论知识都是书上的经典知识 点，因此对课本知识也有了进一步的理解，也意识到自己对课本知识理解不够到 位，知识面不够广，分析电路也有点吃力，我想这对我以后的学习有很大的促

22、进 作用。在之前的课程中虽然学习了很多的仿真软件如： protel、protues 等，但这 次课程设计所用的multisimlO软件虽然没有接触过，但通过查阅相关的书籍、 网上搜索，学会了这个软件的使用，这个虚拟电子实验室可以仿真各种电路。应 用过程中我发现了这个软件功能的强大，操作的简单，可以免去直接用硬件做实 验带来各种的麻烦。参考文献1 谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路非线性部分（第四版）.高等教育出版社 2010 年2 蒋卓勤，黄天录，邓玉元.Multisim及其在电子设计中的应用（第二版）西安电子 科技大学出版社2011年6月3 谢自美.电子线路设计与实验测试（第二版）华中科技大学出

23、版社2010年4 蒋卓勤，邓玉元.Mul tisim 2001及其在电子设计中的应用西安电子科技大学出版社 2003 年 10 月5 曹才开.高频电子线路原理与实践.中南大学出版社 2010年6 李银华.电子线路设计指导.北京航天航空大学出版社 2005年6月附录表 1 元器件清单QuantityDescriptionRefDesPackage10111213141516171819202122RESISTOR J2kQR1RESISTOR, 2kQR2.R4RESISTOR J00QR3INDUCTOR JOmHL1INDUCTOR, 2.5uHL2CAPACITOR, 30pFC3CAPA

24、CITORS 20pFC2CAPACITOR, 60pFC1VARIABLE_CAPACITOR, 10OpFC4DC_POWER,12VV1GenericCAPACITORS nFC6, C7CAPACITORS OnFC8, C9CAPACITOR, 33pFC11INDUCTOR JOOuHL3, L4INDUCTOR, 470uHL5CAP_ELECTROLITJOuFC12INDUCTOR, 3uHLGCAPACITOR, 200pF第 13 页C13AC_VOLTAGE J Vpk 10MHzV2GenericRESISTOR, SkQR5POTENTIOMETER JOkQR6CAPACITOR, 300pFC5