高频 晶体三极管混频.docx

高频 晶体三极管混频.docx

《高频 晶体三极管混频.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频 晶体三极管混频.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高频晶体三极管混频

实验二晶体三极管混频电路

121180166zc

一.实验目的

1.理解变频电路的相关理论。

2.掌握三极管混频电路的工作原理和调试方法。

3.测量三极管混频电路的变频增益。

4.了解晶体管的静态工作点，本振信号幅度对混频器性能指标的影响。

二.实验使用仪器

1．三极管混频电路实验板

2．200MH泰克双踪示波器

3.FLUKE万用表

4.模拟扫频仪（安泰信）

5.高频信号源

6.高频毫伏表

三、实验基本原理与电路

1.LC振荡电路的基本原理

在通信技术中，经常需要将信号自某一频率变换为另一频率，一般用得较多的是把一个已调的高频信号变成另一个较低频率的同类已调信号。

例如：

在超外差中波接收机中，将天线接收到的高频信号（载频位于535kHz～1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号）通过变频，变换成455KHz的中频信号；在调频广播接收机中,把载频位于88MHz～108MHz的各调频台信号变换为中频为10.7MHz的调频信号。

完成这种频率变换的电路称变频器，采用变频器后，接收机的性能将得到提高。

图2-1混频器的电路模型

混频器的电路模型如图2-1所示。

混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。

其中二极管混频器又可以分为二极管平衡混频器和二极管环形混频器等，目前二极管混频器的集成电路已经在市面上广泛使用。

二极管混频电路的主要特点是：

1.混频电路本身没有增益。

2.混频后出现的非线性分量较少。

3.混频电路的输入信号线性范围较大。

三极管混频电路和场效应管混频电路相比：

1.具有较大的电压增益。

2.电路噪声和非线性分量较多.3.场效应管混频电路的工作频率更高。

模拟乘法器可以实现两个输入信号的相乘，模拟乘法器后面加上带通滤波器对输出的差频信号进行滤波就可以形成混频电路。

本振信号是一个等幅的高频振荡信号UL，与输入信号US经混频器后产生的差频信号经带通滤波器滤出。

目前，高质量的通信接收机广泛采用二极管环形混频器和由差分对管平衡调制器构成的混频器，而在一般接收机（例如广播收音机）中，为了简化电路，还是采用简单的三极管混频器，本实验采用晶体三极管作混频电路实验。

混频器主要技术指标有：

1.混频增益KPc

混频增益KPc是指混频器输出的中频信号功率Pi与输入信号功率Ps之比。

2.混频器的1dB压缩点

混频器的1dB压缩点定义：

当混频器的输入信号功率逐渐增加，混频器的功率增益会下降，当混频器的功率增益下降1dB时对应的输入信号功率，称为混频器的1dB压缩点。

图2-2混频器功率增益的1dB压缩点示意图

3.噪声系数NF

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。

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。

5.频率选择性

所谓频率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。

频率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。

6.混频器的工作电平

混频器的输入信号功率过大或者过低，都会导致混频器的工作性能下降。

若混频器的输入信号功率过小，混频器的输入端信噪比过低，会导致混频器的输出差频信号淹没在电路本底噪声中；若混频器的输入信号功率过大，会导致混频器的功率增益大大下降，同时混频器本身会产生大量非线性失真。

因此为保证混频器的性能最佳，混频器的输入信号功率有一定的范围。

2.实验电路和原理

晶体三极管混频电路实验电路如图2-3所示。

本振电压UL频率为（10.7MHz）从晶体管的发射极输入，信号电压Us（频率为10.245MHz）从晶体三极管的基极输入，混频后的中频（Fi=FL-Fs）信号由晶体三极管的集电极输出。

输出端的带通滤波器必须调谐在中频Fi上，本实验的中频Fi=FL-Fs=10.7MHZz-10.245MHz=455KHz。

图2-3晶体三极管混频电路实验电路图

电路基本原理：

电容C1是隔直电容，滑动变阻器RW1和电阻R1,R2是晶体管基极的直流偏置电阻，用来决定晶体管基极的直流电压，电阻R3是射极直流负反馈电阻，决定了晶体管射极的直流电流Ie。

晶体管需要设置一个合适的直流工作点，才能保证混频器电路正常工作，并有一定的功率增益。

通常，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的交流电流放大倍数

，从而增大混频器电路的变频增益。

但Ie过大，混频电路的噪声系数会急剧增加。

对于混频器电路，一般控制Ie在0.2-1mA之间。

电阻R4是混频器的负载电阻。

电容C3，C4是混频器直流电源的去耦电容。

同时混频电路的电压增益还和本振信号的幅度有关。

输入信号幅度不变时，逐渐增加本振信号的幅度，刚开始由于本振信号的幅度较小，晶体管的变频跨导较小，此时随着本振信号幅度的增加，晶体管的变频跨导也逐渐增加，混频器的变频增益逐渐增加。

当本振信号幅度达到一定大小时，再增加本振信号的幅度，晶体管工作点的变化更加剧烈，晶体管的变频跨导就会逐渐下降，混频器的变频增益也逐渐下降，并且混频器的噪声系数会大大增加。

当本振信号的幅度一定时，随着输入信号幅度的增加，混频器的变频增益

也会逐渐下降。

要注意的是：

混频器只是实现频谱的搬移而不会改变原来输入信号的波形和频谱，原来输入的是调频波则混频输出的还是调频波；原来输入的是调幅波则混频输出的还是调幅波，只是载波的中心频率发生了变化。

四、实验内容

1.用示波器观察混频器的输入输出信号的波形；

2.用示波器测量混频器输入输出信号的频率；

3.测量混频器的变频增益和1dB压缩点。

4.用示波器观察输入波形为调幅波和调频波时，混频器的输出波形。

5.用频谱仪观察混频器的频率变换特性。

五、实验内容与数据分析

1中频频率观测

由图可见，在混频后产生了近似455KHz的信号（示波器显示为445.5KHz）

2混频频率观测

用高频信号源产生中心频率为10.245MHz的调幅信号，接入晶体三极管混频电路实验模块IN1端，由高频信号源产生的10.7MHz本振信号接入IN2端。

调整两个信号的大小和RW1，用示波器观测TP3点波形。

如图所见，TP1和TP3波形包络一致，说明输出仍然是调幅波，混频器正常工作。

3观察静态工作点对混频器增益和输出波形的影响。

逐步增加射极电流Ie的值，用高频毫伏表测量输入高频信号的功率和输出中频信号的功率，记算混频器变频增益的变化，同时观察输出波形的变化。

（重点观察输出波形的噪声和失真度）

输入信号：

84mV

Ie（mA）

0.20

0.41

0.56

0.75

输出信号/mV

128

184

220

270

变频增益dB

3.66

6.81

8.36

10.14

根据数据可见，增加射极电流时，变频增益在不断增加。

符合理论。

而噪声一直很小，失真度也很小，说明中频滤波性能优良。

4观察本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。

逐步增加本振信号的幅度，记录混频器变频增益的变化，观察输出波形的变化。

（重点观察输出波形的噪声和失真度）

本振幅度（mV）

200

400

600

800

1000

1500

2000

输出幅值（mV）

222

290

300

288

280

264

236

变频增益dB

8.44

10.76

11.06

10.70

10.46

9.95

8.97

由数据可见，随着本振幅度增加，变频增益先增大后减小。

从理论上讲，刚开始由于本振信号的幅度较小，晶体管的变频跨导较小，此时随着本振信号幅度的增加，晶体管的变频跨导也逐渐增加，混频器的变频增益逐渐增加。

当本振信号幅度达到一定大小时，再增加本振信号的幅度，晶体管工作点的变化更加剧烈，晶体管的变频跨导就会逐渐下降，混频器的变频增益也逐渐下降，并且混频器的噪声系数会大大增加。

但是在试验中，我只观察到了变频增益的变化，而从示波器来看，噪声并没有明显变化，我将其归结于中频滤波性能较好。

5观察输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。

逐步增加输入信号的幅度，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。

（重点观察输出波形的噪声和失真度）

输入幅度（mV）

20

40

60

80

100

150

200

输出幅度（mV）

30

90

154

292

368

490

568

变频增益dB

3.52

7.04

8.19

11.24

11.32

10.28

9.06

分析：

理论上，随着输入信号提升，增益应该先不变后变小，但是在我的数据中，可以看到是由迅速上升期——平缓期——下降期构成的。

对于迅速上升期，我认为原因在于：

1由于信号太小，示波器测量有误2信号小的时候信噪比低，导致噪声影响了干扰。

当信号大于80mV以后，可以看到，信号基本处于理论正确的阶段。

事实上，我在前几组测试中，取信号84mV，恰好在这一段内。

关于噪声与失真：

我可以看到在输入幅度为20mV时，噪声很大，已经影响了测量。

而当输入幅度大于150mV时，我感觉已经基本达到了其上限，因为此时不仅放大倍数在减小，并且可以明显看到非线性失真的出现，波形质量与80mV左右相比明显下降。

6在IN1端输入11.155MHz的信号可以观察镜像干扰。

如图可见，在输入11.155MHz情况下，也可以输出良好的455KHz波形，产生了镜像干扰。

7测量混频器的1dB压缩点。

（本振信号的幅度为512mV）

经测量，根据输入信号幅值变化（测量5）引起的输出变化，我们认为峰值大约在100处产生，为368mv。

对于-1dB，信号为其0.9倍，经测量，大约在输入为145mV时出现。

实验感想：

本次试验主要做的是对混频器性能的验证。

通过本次试验，我主要领会了混频器的基本性质，并且对于高频电路不同于模拟电路的性质有了进一步了解。

例如，在测试中，为了防止信号幅频响应不均，老师要求我们使用十倍衰减档位。

这种都是在高频电路中要特殊注意的问题，一定要以后注意。

本次使用的是鳄鱼夹，如果有条件用其他传输线（例如同轴线）我相信测试结果会更好。