第5章混频例题.docx

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第5章混频例题

第5章混频

学习目的：

●掌握混频器的原理；

●了解各种干扰，特别是混频器中的所产生的各种干扰。

本章重点：

●开关函数分析法与二极管混频器；

●变频器的工作原理；

●模拟乘法器的基本电路与工作原理

●混频器中的干扰类型。

本章难点：

●变频器的工作原理

例题选讲

例1.用晶体管3DG8D组成混频电路。

已知工作点发射极电流，本振电压为，信号频率，中频频率，中频负载电导。

在工作频率时的输入电导，输出电导。

试求变频跨导、变频电压增益和变频功率增益。

[解]查表得3DG8D的参数

变频增益：

例2已知混频器晶体三极管的转移特性为ic=a0+a2u2+a3u3,当u=Us.cosωst+ULcosωLt时，且UL>>Us，求混频器的中频变频跨导gc为多少？

解：

根据已知条件，电路符合线性时变条件。

则线性时变跨导为

例3某晶体管混频器的的时变跨导为gm（t）=1+2cosωLt+0.5cos2ωLt+……（mS）,负载为RL=1kΩ，求出混频跨导gc，并当输入信号分别为以下三种信号时，分别求出输出中频信号uI（t）=?

（1）u1（t）=1.5（1+0.3cosΩt）cosωct（V）,

（2）u2（t）=cosΩtcosωct（V）

（3）u3（t）=2cos（ωct+10cos2πX103t+5cos3πX103t）（V）

例4某超外差收音机，其中频fi=465kHz。

（1）当收听fs1=550kHz电台节目时，还能听到fn1=1480kHz强电台的声音，分析产生干扰的原因。

（2）当收听fs2=1480kHz电台节目时，还能听到fn2=740kHz强电台的声音，分析产生干扰原因。

解

（1）因为fn1=fs1+2f1=550+2456=1480kHz；根据上述分析，fn1为镜频干扰。

（2）因为fs2=1480kHzfi=465kHz所以fo2=fs2+fi=1480+465=1945kHz，而fn2=740kHz,

fo2–2fn2=1945–2740=465kHz=fi故这种干扰为组合副波道干扰。

例5:

当fn1=1.5MHz，fn2=0.9MHz，若接收机在1~3.5MHz波段工作，向在哪几个频率上会产生互调干扰？

解若m，n=1则fn1+fn2=1.5+0.9=2.4MHz

fn1–fn2=1.5–0.9=0.6MHz（波段外）

m=1，n=2fn1+fn2=1.5+1.8=3.3MHz##

2fn1–fn2=1.5–1.8=2.4MHz（波段外）

m=2，n=12fn1+fn2=3+0.9=3.9MHz（波段外）

2fn1–fn2=3–0.9=2.1MHz

m=3，n=03fn1=31.5=4.5MHz（波段外）

m=0，n=33fn2=30.9=2.7MHz

因此，考虑三次以下谐波fn1和fn2在1~3.5MHz波段内对2.4MHz，3.3MHz，2.1MHz，2.7MHz等4个频率会产生干扰。

例6

（1）在某地，收音机接收1090kHz电台信号时，可以收到1323kHz的电台信号。

（2）接收1080kHz电台信号时，可以收到540kHz的电台信号。

（3）接收930kHz电台信号时，可以同时收到690kHz和810KHz的电台信号，但不能单独收到其中一个台。

（例如，一个台停播），请分析分别是什么干扰？

解：

（1）

接收到1090kHz信号时，同时可以收到1323kHz的信号；证明1323kHz是副波道干扰信号，它与本振信号混频，产生了接近中频的干扰信号。

此时本振频率为fL=1090+465=1555kHz,根据pfL-qfJ=±fI的判断条件，当p=2,q=2时，2fL-2fJ=3110-2646=464≈fI。

因此断定这是4阶副波道干扰。

（2）

接收到1080kHz信号时，同时可以收到540kHz的信号；证明也是副波道干扰信号，此时本振频率为fL=1080+465=1545kHz,当p=1,q=2时，fL-2fJ=1545-1080=465=fI。

因此断定这是3阶副波道干扰。

（3）

当接收有用台信号时，同时又接收到两个另外台的信号，但又不能单独收到一个干扰台，而且这两个电台信号频率都接近有用信号并小于有用信号频率，根据fS-fJ1=fJ1-fJ2的判断条件，930-810=810-690=120kHZ，因此可证明这可是互调干扰,且在混频器中由4次方项产生，在放大器中由3次方项产生，是3阶互调干扰。

例7某发射机发出某一频率的信号。

现打开接收机在全波段寻找（设无任何其它信号），发现在接收机度盘的三个频率（6.5MHz、7.25MHz、7.5MHZ）上均能听到对方的信号，其中以7.5MHZ的信号最强。

问接收机是如何收到的？

设接收机fI=0.5MHZ，fL>fs.

解：

（1）从给定的题可以看出，7.5MHz信号最强，说明发射频率就是7.5MHz。

而调谐到在6.5MHz和7.25MHz时听到的信号是7.5MHz信号对其形成的干扰

（2）在调谐到6.5MHz时

此时，fS=6.5MHz，本振频率fL=fS+fI=6.5+0.5=7MHz,干扰信号频率fJ=7.5MHz，且fJ-fL=7.5-7=0.5MHz=fI,所以7.5MHz信号正好是6.5MHz信号的镜像干扰信号。

（3）在调谐到7.25MHz时

此时，fS=7.25MHz,本振频率fL=fS+fI=7.25+0.5=7.75MHz,干扰信号频率fJ=7.5MHz，且有2fL-2fJ=15.5-15=0.5MHz=fI,显然，这是干扰信号与本振信号的组合频率产生的4阶副波道干扰。

例8如图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100kHz，最大频偏Δfm1=97.64Hz，混频器的本振信号频率fL=14.8MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo（t）的中心频率fc和最大频偏Δfm。

解：

fc2=4×4×3×fc1=48×100kHz=4.8MHz

Δfm2=4×4×3×Δfm1=48×97.64Hz=4.687kHz

fc3=fL-fc2=（14.8-4.8）MHz=10MHz

Δfm3=Δfm2=4.687kHz

fc=4×4×fc3=16×10MHz=160MHz

Δfm=4×4×Δfm3=16×4.687kHz=75kHz

例9下图是一二极管平衡电路，二极管的伏-安特性如图所示，已知gd=10mS,R=500Ω,U1（t）=0.2cos3140tV,U2（t）=2cos2π106tV,谐振电路的谐振频率为1MHz，带宽为2500Hz，求输出电压Uo（t）

例10如图所示为一个二极管平衡电路，两二极管完全一致，输入信号u1=U1cosω1t,u2=U2cosω2t,而且ω2>>ω1，U2>>U1。

输出回路对ω2谐振，而且带宽为BW=2ω1，谐振阻抗为R0。

在不考虑输出电压的反作用的情况下，求

（1）负载电流io表达式

（2）输出电压的uo（t）.

解：

5.1二极管平衡混频器与二极管环形混频器

1.平衡混频器

二极管可以工作在小信号非线性状态，也可以工作在受大信号v0控制的开关状态。

小信号时平衡混频器的分析采用幂级数分析法，混频时输入信号　　，输出回路则谐振在中频i上。

平衡混频器原理电路

二极管的伏安特性可用幂级数表示：

为简化分析，忽略输出电压对二极管的反作用，则

当很小时，级数可只取前四项，得

利用三角公式展开，并分类整理，可得

由上式可见，经过二极管非线性变换后，出现了许多新频率，但其中只有才是我们所需要的。

这是由平方项产生的。

其它频率分量都是无用的产物，必须将它们抑制掉。

i1、i2以相反方向流过输出端变压器初级，使变压器次级负载电流il1,=i1–i2

由于元器件的非线性作用，单管输出电流中产生了输入电压中不曾有的新频率成分，如输入频率的谐波20和2s、30和3s；输入频率及其谐波所形成的各种组合频率0+s、0–s、0+2s、0–2s、20+s、20–s。

平衡混频器输出电流的频率成份为：

s、0+s、0–s、20+s、20–s、3s

二极管平衡混频器电路是由两个性能一致的二极管及中心抽头变压器T1、T2接成平衡电路的。

与单二极管电路的条件相同，二极管处于大信号工作状态,即o＞0.5V。

这样,二极管主要工作在截止区和线性区,二极管的伏安特性可用折线近似。

o>>s，二极管开关主要受o控制。

信号电压反相加在两个二极管上；振荡电压同相地加在两个二极管上。

若忽略输出电压的反作用，则加到两个二极管的电压D1、D2为

二极管开关频率为，此时的开关函数为：

由于加到两个二极管上的控制电压2是同相的，因此两个二极管的导通、截止时间是相同的，其时变电导也是相同的。

由此可得流过两二极管的电流i1、i2分别为

经过变压器Tr2的作用，输出应与i1—i2成比例。

故

二极管平衡混频器的输出频率组合分量大为减少。

且在输入端没有，说明本地振荡器无反向辐射；没有说明在输出中频回路选择性不够好的情况下，不致影响第一级中放的工作点。

2.二极管环形混频器

为了在混频器中进一步抑制一些非线性产物，还广泛采用环形混频器。

与二极管平衡电路相比,只是多接了两只二极管D2和D4，四只二极管方向一致，组成一个环路，因此称为二极管环形电路。

四只二极管均按开关状态工作，相当于两个平衡混频器的组合。

二极管环形混频器电路图

二极管环形混频器的输出电流为：

输出电流中除了中频成份外，仅有等等奇次诸项，因此非线性产物进一步减少。

一、变频器的工作原理

变频就是把高频信号经过频率变换，变为一个固定的频率。

这种频率变换通常是将已调高频信号的载波频率从高频变为中频，同时必须保持其调制规律不变。

具有这种作用的电路称为混频电路或者变频电路，也称为混频器或者变频器。

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

变频器功能图变频电路的组成框图

变频前后的调幅信号频谱图

假定变频器（混频器）的伏安特性，输入信号分别为：

代入得到：

选出需要的频率

晶体管混频器的分析

1.基本电路和工作原理

上图为晶体三极管混频器的原理电路。

图中，VBB为基极偏置电压，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，本振电压，实际上，发射结上作用有三个电压

晶体管混频原理电路，其电路组态可归为4种电路形式

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，这是它的优点。

，可能产生频率牵引现象，这是它的缺点。

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，因此，相互干扰产生牵引现象的可能性小。

同时，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。

这是它的优点。

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。

2.晶体管混频器的分析方法

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、ab和ab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　作周期性变化。

加电压后的晶体管转移特性曲线

a）混频跨导gc

在混频中，由于输入是高频信号，而输出是中频信号，二者频率相差较远，所以输出中频信号通常不会在输入端造成反馈，电容Cbc的作用可忽略。

另外，gce一般远小于负载电导GL，其作用也可以忽略。

由此可得到晶体管混频器的转移等效电路如图所示

晶体管混频器的转移等效电路

b）混频器的增益

将混频输入电纳和输出电纳归并在输入、输出端的调谐回路的电容中去，则得到晶体三极管的等效电路如图所示，图中负载电导gL是输出回路的谐振电导。

晶体三极管混频器等效电路

由图可以算出

故混频电压增益

混频功率增益

如果电路匹配，使goc=gL，则可得到最大混频功率增益

3.二极管混频器与三极管混频器的比较

二极管混频器三极管混频器

优点：

1、动态范围较大优点：

有变频增益

2、组合频率干扰少缺点：

1、动态范围较小

3、噪声较小2、组合频率干扰严重

4、不存在本地辐射3、噪声较大

缺点：

无变频增益4、存在本地辐射

二、差分对模拟乘法器

差分对管可以看成为一个参数（跨导）在改变的线性元件。

输出端主要为需要的差频项，不包含本振角频率及其谐波，不包含信号角频率的偶次谐波，也不包含的偶次方与的相乘项引起的组合频率。

三、混频器中的干扰

混频器中产生的干扰有：

组合频率干扰和副波道干扰、交叉调制（交调）和相互调制（互调）、阻塞干扰和相互混频等。

组合频率干扰和副波道干扰

信号与本振信号存在的谐波频率和组合频率落在中频放大器的通频带内，与有用信号频率一道进入中频放大器，并被放大后加到检波器上。

通过检波器的非线性效应，这些接近中频的组合频率与中频差拍检波，产生音频，最终以哨叫声的形式出现

组合频率干扰

信号与本振的组合频率的通式：

中频的通式

显然，只要满足下列关系，

组合频率的干扰信号就能进入中频放大器，经差拍检波后，产生干扰哨声。

减小这种干扰的措施:

1.输入信号vs,本振电压vo都不易过大。

2.适当选择晶体管的静态工作点，使混频器既能产生

有用频率变换，而又不致产生无用的组合频率干扰。

3.选择合适的中频，将接收机的中频选在接收机频段外

副波道干扰

干扰信号

与本振频率满足下列关系时：

称为组合副波道干扰

在上述的组合副波道干扰中，有些特定频率形成的干扰称为副波道干扰。

典型的副波道干扰有：

中频干扰和镜像干扰。

中频干扰

式中，取，得。

亦即干扰频率等于或者接近于中频时，干扰信号将被混频器和各级中频放大器放大，以干扰哨声的形式出现。

抑制中频干扰的主要方法

提高前端输入回路的选择性，将干扰抑制在通带外，可在混频器的输入端加中频陷波电路，滤除外来的中频干扰。

镜像干扰

式中，取，得。

亦即信号频率比本振频率低一个，干扰频率则比高一个。

二者对称地分布在两侧，因此称为镜像频率干扰。

它与差拍也产生，成为干扰信号。

如接收电台的频率是550kHz，中频等于465kHz，镜像干扰频率ƒn=1480kHz，它比本振频率高一个中频。

抑制镜频干扰的方法:

1.提高混频器前各级电路的选择性

2.提高接收机的中频频率fi，以使镜像频率与信号频率fs的频率间距（2fi）加大。

3.还可采用镜能抑制混频电路，将镜像频率信号部分抵消。

组合频率干扰和副波道干扰都是由混频器自身特性所产生的。

交叉调制（交调）

如果接收机前端电路的选择性不够好，使有用信号与干扰信号同时加到接收机输入端，而且这两种信号都是受音频调制的，就会产生交叉调制干扰现象。

表现形式：

当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰台的调制信号听得清楚；而当接收机对有用信号频率失谐时，干扰电台调制信号的可听度减弱，并随着有用信号的信号消失而完全消失。

交叉调制系数与有用信号幅度无关，但与干扰信号幅度的平方成正比，因此提高前端电路的选择性，减小干扰信号幅度是克服交调的有效措施。

只要干扰信号足够强，并进入接收机前端电路，就可能产生交调。

交调是由非线性特性中的三次或更高次非线性项产生的，因此克服交调干扰的主要方法为:

1.提高混频电路前级的选择性抑制干扰；

2.选择合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次方项尽可能小；

3.采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟乘法器混频电路。

互相调制（互调）

有两个或多个干扰电台信号同时加到接收机混频器的输入端，由于放大器的非线性作用，使干扰信号彼此混频，就可能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量，与有用信号同时进入接收机的中频系统，经检波差拍后，产生哨叫声。

只要干扰频率和信号频率满足下式时，

即可产生互调现象。

互调干扰是由高放（或混频）级的二次、三次和更高次非线性项所产生，而且干扰信号幅度愈大，互调干扰分量也愈大。

抑制互调的方法与抑制交调的方法相同，除此外，还可采用倍频程带通滤波器防止二阶互调干扰的产生。

阻塞现象

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。

产生阻塞观象的原因有两种，

一种是强干扰作用下晶体管特性曲线非线性所引起的阻塞，

一种是强干扰破坏了晶体管的工作状态，使管子产生假击穿。

（干扰电压消失后，晶体管还能够还原），使作为电流分配器的晶体管的正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象。

减小阻塞干扰的措施:

1.提高混频级前端电路的选择性

2.交流负反馈

3.输入端加双向限幅

4.小电流工作

相互混频（倒易混频）

它是由于在混频器输入端存在强干扰信号，而在本振源内又存在杂散噪声所引起的。

现象：

本振信号两侧存在边带噪声，为两个干扰信号。

若与边带噪声中的某些频率分量混频后，可能产生正好落到中频通带内的频率分量，形成中频噪声。

综上所述，产生各种干扰的主要原因：

1）前端电路选择性不好；

2）器件的非线性；

3）器件的动态范围小；

4）放大电路中频选择不当。

减小各种干扰的措施可归纳为：

（1）提高混频级前端电路（天线回路和高放）的选择性。

（2）合理地选择中频，能有效地减小组合频率干扰。

（3）采用各种平衡电路。

（4）合理地选择混频管的静态工作点。

（5）采用倍频程滤波器抑制二阶互调。

本章小结

混频过程也是一种频谱搬移的过程，它是将载波为高频的已调信号搬移一个频率量得到载波为中频的已调信号并保持其调制规律不变。

其工作原理与调幅十分相近，也是由二个不同频率的信号相乘后通过滤波器选频获得。

常用的混频器电路有晶体三极管混频器（BJT和FET组成）、二极管混频器、模拟相乘混频器等，晶体二极管混频器采用线性时变参量电路分析，混频时，将晶体管视为跨导随本振信号变化的线性参变元件。

器件的非理想相乘特性会导致调幅和检波的失真，混频输出会产生干扰。

混频器的干扰种类很多，主要包括组合频率干扰、副波道干扰、交叉调制、互相调制、阻塞干扰等，针对不同的干扰现象，可采取不同的方法进行克服。