变频器ppt课件

7.1 概述 7.2 混频电路 7.3 混频器的组合干扰,第七章 变频器,1,7.1 概述,变频(或混频)是将信号的频率由一个数值变换成另一个数值的过程。完成这种功能的电路叫变频器 (或混频器)。如广播收音机，中波波段信号载波的频率为535kHz1.6MHz，接收机中本地振荡的频率相应为12.065MHz，在混频器中这两个信号的频率相减，输出信号的频率等于中频频率465kHz。,2,采用变频器使接收机的性能得到提高： （1）将高频信号变换成中频信号， 中频放大器增益很高，工作稳定，有助提高接收灵敏度； （2）在超外差接收机中，中频频率固定，电路结构简化。,3,图7.1 变频器功能图,4,图7.1(a)画出了混频器输入、输出信号的时域波形。经过变频，信号的载频由高频变成中频，但包络的形状不变。图7.1(b)画出了输入与输出信号的频谱。经过混频，载波频率由高频fs变成中频fi，频谱结构没有变化。所以混频是线性频率变换，也是频谱搬移。,图7.1 变频器功能图,5,在无线电技术中，混频的应用非常普遍。在超外差式接收机中，所有输入信号的频率 都要变成中频: 调幅广播收音机的中频等于465kHz， 调频广播收音机的中频等于10.7MHz， 广播电视接收机的中频等于38MHz。 在发射机中，为了提高发射信号的频率稳定度，采用多级式发射机，用一个频率较低的石英晶体振荡器做主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频。此外电视差转机收发频道的转换，卫星通信中上行、下行频率的变换等等都必须采用变频器。,6,变频器电路是由（1）非线性元件，（2）本地振荡器，（3）中频滤波器组成，如图7.2所示。信号相乘电路的输入一个是外来的已调波us，另一个是由本地振荡器产生的等幅正弦波uL。us与uL相乘产生和、差频信号um ，再经过带通滤波器取出差频(或和频)信号ui。,图7.2 混频电路的组成框图,7,变频器的主要技术指标,1.变频增益,(7.11),(7.12),变频功率增益：,变频电压增益：,混频增益的高低与混频电路的形式有关。二极管混频电路的混频增益KPc1；三极管、场效应管和模拟乘法器构成的混频电路，混频增益可以大于1。,8,2. 选择性 所谓选择性是指混频器选取出有用的中频信号而滤除其他干扰信号的能力。选择性越好输出信号的频谱纯度越高。选择性主要取决于混频器输出端的中频带通滤波器的性能,可选择高Q电路。,3. 工作稳定性,4. 混频失真与干扰 混频器的失真有频率失真和非线性失真。此外，由于器件的非线性还存在着组合频率干扰。这些组合频率干扰往往是伴随有用信号而存在的，严重地影响混频器的正常工作。因此，如何减小失真与干扰是混频器研究中的一个重要问题。,9,输入信号功率与输入噪声功率之比,输出信号功率与输出噪声功率之比,已知噪声系数的定义为：,5. 噪声系数NF,由于电路内部噪声的存在。输出信噪比总是小于输入信噪比，所以噪声系数NF始终大于1。NF越大，说明电路的内部噪声越大；NF越小，说明电路内部噪声越小，电路的噪声性能越好。理想情况，电路内部无噪声，NF=1。混频器由于处于接收机电路的前端，对整机噪声性能的影响很大，所以减小混频器的噪声系数是至关重要的。 此外，对混频器的要求还有动态范围等。,10,混频电路,三极管混频器 三极管混频器电路如图7.3所示。设外加的信号us=Usmcosst，本振电压uL=ULmcosLt，基极直流偏置电压为EB，集电极负载为谐振频率等于中频fi=fL-fs的带通滤波器。忽略基调效应时，集电极电流iC可近似表示为uBE的函数，iC=f(uBE),uBE=EB+uL+us。,图7.3 晶体三极管混频器,11,由于uLus，所以三极管混频器电路是线性时变电路。EB+uL是时变工作点电压。在时变工作点附近，把iC用台劳级数展开,(7.21),其中，第一项iC0=f(EB+uL)是时变工作点电流，称为混频器的静态时变集电极电流。如图7.4所示。把iC0用傅氏级数展开,(7.22),12,图7.4 静态时变集电极电流,13,式(7.21)中，f(EB+u1)是晶体三极管的时变跨导g(t)，其波形如图7.5所示。同样可以把g(t)用傅氏级数展开,(7.23),式中，g0是时变电导的平均分量；g1是基波分量的幅度，称为基波跨导；g2是二次谐波分量的幅度，称为二次谐波跨导。因此，式(7.21)中的第二项可以写成,(7.24),14,图7.5 时变跨导g(t),15,其中，中频电流分量，即本振频率与信号频率的差频分量等于,(7.25),式中,集电极电流中频电流幅度,输入信号电压幅度,(7.26),称其为混频跨导，其值等于基波跨导的一半。在忽略晶体管输出阻抗的情况下，经集电极回路带通滤波器的滤波，取出的中频电压,(7.27),16,Re为LC并联谐振回路的有载谐振阻抗。中频输出电压的幅度,(7.28),若输入信号us是普通调幅波，us=Usmo(1+macost)cosCt。只要带通滤波器的带宽足够，即B2，带内阻抗可近似认为等于有载谐振阻抗RL。输出的中频电压近似等于ui=gcRLUsmo(1+macost)cosit。,17,仿照集电极回路的分析方法，三极管混频器的输入回路基极电流iB与输入电压us的关系也可近似写成,(7.29),其中，iB0为静态时变输入电流；gi(t)是时变输入电导，把它用傅氏级数展开,(7.210),由于混频器输入回路调谐于fs，因此分析混频器时仅考虑基极电流iB中的信号频率电流,(7.211),(7.212),18,根据图7.6可导出三极管混频器的电压增益为,(7.213),(7.214),功率增益,19,图7.6 晶体三极管混频器交流等效电路,20,混频跨导越大,KVc、KPc越高。gc大小与晶体管参数、本振电压幅度和静态偏置电压有关。图7.7和图7.8分别画出了gc与ULm和EB关系曲线。由图可见，gc与ULm和EB的关系是非线性关系，ULm和EB过大或过小，gc都较小，只有在一段范围内gc较大。,图7.7 g(t)、gc与ULm的关系,21,图7.8 g(t)、gc与EB的关系,22,图7.9给出了混频功率增益KPc和噪声系数NF与ULm的关系曲线。,图7.9 KPc、NF与ULm的关系,23,图7.10 KPc、NF与IEQ的关系,图7.10给出KPc和NF与静态直流工作点电流IEQ的关系曲线。由图可见，一般锗管ULm选在50200mV范围内，硅管可取大些。偏置电压EB一般选择在IEQ等于0.31mA的范围内工作比较合适。,24,图7.11给出了几种常用的三极管混频电路的形式。它们的区别是本振电压注入方式和三极管交流地电位的不同。电路形式(a)的本振电压由基极注入，需要本振提供的功率小，但信号电压对本振的影响较大。电路形式(b)的本振电压由发射极注入，需要本振提供的功率大，但信号对本振影响小。电路形式(c)和(d)都是共基极电路，与(a)、(b)电路相比，这种电路工作频率高、稳定性好。,图7.11 三极管混频电路形式,25,图7.12 晶体管收音机他激式变频电路,26,图7.12是本振与变频分别由两只晶体管完成的混频形式电路。本地振荡器是由V2管构成的电感反授式振荡器，本振电压从V1管的射极输入。信号电压经输入选择回路由V1管的基极输入。中频电压由调谐于465kHz的中周变压器的次级输出。,27,图7.13 晶体管收音机自激式变频电路,28,图7.13是典型的晶体管收音机混频电路。天空中各种频率的电磁波在天线上感应生成高频电流，经过输入回路选频，取出要收听电台的信号us，从晶体管基极注入。L3和L4组成变压器耦合反馈式本地振荡器，由于L3对中频呈现阻抗很小，所以对中频输出的影响可以忽略。由L5和200pF电容组成中频回路取出中频电压输出。通常称中频输出回路叫中周变压器，简称中周。这种电路本地振荡器和混频同由一只晶体管完成，所以是变频形式电路。,29,单二极管混频器 图7.18是一个单二极管混频器电路。输入电路调谐于信号载频fs，输入回路两端电压为us=Usmcosst。本地振荡电压经变压器耦合输入，次级建立的本振电压为u1=U1mcos1t。输出回路调谐在中频fi=f1-fs。回路两端建立的中频电压ui=Uimcosit。通常U1mUsm，UsmUim，所以二极管混频电路是线性时变电路，二极管可近似为仅受u1控制的开关。等效的时变电导gD(t)=gDk1(1t)。二极管两端的电压uD=us+u1-ui，二极管流过的电流,30,图7.18 单二极管混频电路,31,二极管环形混频器 二极管环形混频器电路与二极管环形调制器电路形式相同，如图7.20所示。由图可见，各二极管的电流分别为,图7.20 环形混频器,32,输出电流,同时可以导出输入电流,(7.223),(7.224),根据式(7.223)导出输出中频电流的幅值,根据式(7.224)可导出输入信号电流的幅值,(7.225),(7.226),33,变频器的干扰及其抑制,组合频率干扰 信号与本振的组合频率fm·n=±mf1±nfs,m和n均为正整数或零。中频fi=f1-fs，若中频回路的带宽等于2f，那么，凡是满足mf1-nfs=fi±f和 nfs-mf1=fi±f两种情况的组合频率分量都会形成干扰。由此可导出满足这两种情况的信号频率 ，将f1=fs+fi关系代入得 mf1-nfsfi -mf1+nfsfi,减弱组合干扰的方法： （1）适当选择工作点，尤其UL不要过大 （2）输入信号幅度不能过大 （3）选择中频时应考虑组合频率的影响,34,表7.1 信号频率与本振频率组合干扰分布表,35,外来干扰与本振的组合频率干扰 这种干扰是由于外来干扰信号与本振组合形成的。正常情况下，收听电台与本振混频得到中频fi=fL-fs，这个通道叫主波道或主通道。外来的干扰与本振组合形成中频的通道叫副波道或寄生通道。当混频器的输入端存在着有用信号us=Usmcosst的同时也窜入了干扰信号uM=UMcosMt，那么除了有用信号与本振差拍得到中频，有用信号与本振组合形成失真与干扰(这种干扰前面作了分析)外，外来干扰与本振组合也会形成组合频率干扰，下面所研究的就是这种干扰。,36,图7.21 中频干扰,37,镜像干扰是m=1,n=1的组合干扰，干扰频率fM=f1+fi=fs+2fi，如图7.22所示。由于这种干扰频率fM与本振频率f1的差等于中频fi，处在信号频率fs的镜像位置，所以称其为镜像干扰。如接收电台的频率是550kHz，中频等于465kHz，镜像干扰频率fM=1480kHz，它比本振频率高一个中频。,38,图7.22 镜像干扰,39,其他的寄生通道干扰可分为两类，第一类是m=n的寄生通道干扰；第二类是mn的寄生通道干扰。 第一类寄生通道干扰频率,(7.34),它的频率分布如图7.23所示。由图可见，靠近信号频率最近的寄生通道干扰频率等于f1-fi/2，它是m=2，q=2的4阶组合频率干扰，影响最为严重。,40,图7.23 第一类寄生通道干扰,41,交叉调制干扰和互调干扰 1.交叉调制干扰 当混频器的输入端同时存在有用的信号us=Usm0(1+mscosst)cosst=Usmcosst和干扰信号uM=Um0(1+mMcosMt)cosMt=UmcosMt时，由于非线性特性的4阶项产生的乘积项12a4u2Musu1乘积中包含有中频信号，其幅值等于3a4U2MUsmUim，正比于干扰信号幅度UM的平方。,42,图7.24 交叉调制干扰,43,2. 互调干扰 互调干扰是有两个或多个干扰电台信号作用于混频器的输入端，在混频器中组合而形成的干扰。如混频器输入端除有用信号电压us、本振电压ul外，还存在两个干扰电压uM1和uM2，它们的频率分别为fM1和fM2。在混频器中uM1和uM2混频，当产生的组合频率±rfM1±sfM2等于或接近于有用信号频率fs时就会形成干扰，这种干扰就是互调干扰。,44,包络失真与强信号阻塞 由于混频特性的非线性，中频电压幅度与输入信号幅度之间关系出现非线性，因此中频电压的包络不能正确反映输入信号的包络，这种失真叫包络失真。强信号阻塞是指强干扰与有用信号同时加入混频器时，混频器输出的有用信号幅度减少，甚至无法接收，这种现象就叫阻塞干扰。例如晶体三极管混频由于输入幅度过大，使三极管进入饱和或截止状态，有用信号的输出很小，甚至为零，这就是阻塞干扰。,45,抑制干扰的措施：,1提高混频器前端电路的选择性,例如：中频干扰，加中频陷波器,2适当选择中频频率, 将中频选在接收频段之外。, 采用高中频方案，使镜像干扰频率远离有用信号频率,3合理选择混频器工作点,将 Q 点设置在混频器件特性的二次方区域，尽量减少三次方项或更高次项所引起的交叉调制干扰,尽量采用组合频率分量少的混频电路与器件：模拟相乘器、二极管平衡混频器等，具有输出组合频率分量数量少的特点。,46,