晶体三极管混频电路实验.docx

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晶体三极管混频电路实验

晶体三极管混频电路实验

一、实验目的

1.进一步学习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

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.频谱分析仪（安泰信）

5.高频信号源

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，常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乘积，模拟乘法器后面加上带通滤波器就可以形成混频电路。

本振信号用于产生一个等幅的高频信号UL，并与输入信号US经混频器后所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：

混频增益KPc

所谓混频增益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。

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。

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。

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。

2.实验电路

晶体三极管混频电路实验电路如图2-2所示。

本振电压UL频率为（10.7MHz）从晶体管的发射极e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，本实验的中频为Fi=FL-Fs=10.7MHZz10.245MHz=455KHz。

图2-2晶体三极管混频电路实验电路图

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，有一定的电压增益。

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放大倍数

，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、实验内容及分析

1、仿真

仿真电路图为：

输入信号频率为10.245MHz，本振信号频率为10.7MHz，两者的频率差为455KHz，仿真观察输出信号的波形。

（1）在仿真过程中增加射极电流Ie的值，输出波形如下：

增大Ie之后：

对比可以发现，增大Ie之后，增益会增大，而输出波形几乎没有变化

（2）在仿真过程中增加本振信号的幅度，输出波形如下：

增大本振信号幅度后：

对比可以发现，当本振信号幅度增大后，实际上仅在刚通电的瞬间输出波形的幅值比原先大，但会慢慢减小到和原先一样大，到平稳时增益没有变化，波形也一样。

（3）在仿真过程中增加输入信号的幅度，波形如下：

当增大输入信号幅度后，对比可以发现，输出波形的幅值会增大，即增益增大了，但波形形状几乎不变。

（4）输入信号换成调幅波，波形如下：

输入为调幅波时，输出也是调幅波，波形如下：

2、中频频率观测

将10.7MHz正弦信号作为本振信号接入IN2端，将10.245MHz输入信号接入IN1端。

调整本振信号幅度为500mV，输入信号的幅度为200mV和RW1（晶体管的射极电流在1mA左右），此时用示波器观测TP3点，输出信号是频率为455KHz的正弦信号。

然后，调整微调电容CV，使输出信号幅值最大、失真最小，此时本振信号幅值为1Vpp，输入信号幅值为400mVpp，输出信号幅值为1.16Vpp，455.6kHz。

可以发现，当改变输入信号源的频率时，输出中频TP3的波形形状不变，但是其幅值会减小。

3、混频的综合观测

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，观察发现TP1和TP3两点波形的包络一致，但TP3略有延迟，约30us。

4、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）：

VR3（V）

U0（V）

增益A

4.187

0.960

2.400

5.645

1.080

2.700

VR3=Ie*R3，由表格可以发现，当Ie增大时，增益会变大，而波形的形状不变。

5、本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响（增加本振信号的幅度）

输入信号为400mVpp

本振信号幅值（mVpp）

U0（Vpp）

增益A

200

0.82

2.05

400

1.00

2.50

600

1.08

2.70

观察表格可以发现：

当本振信号小于400mVpp时，增大本振信号幅值时，增益变大，而波形形状不变。

而当本振信号大于400mVpp后，增大幅值时，增益几乎不变，波形也没有变化，最大输出信号为1.08Vpp。

6、输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。

（增加输入信号的幅度），

本振信号为1Vpp

输入信号幅值mVpp

U0（Vpp）

增益A

200

0.84

4.2

400

1.08

2.7

600

1.19

1.98

观察表格得：

当输入信号幅值增大时，波形形状不变，输出波形幅值增大，增大至1.22Vpp后几乎不变。

7、镜像干扰

输入信号为10.245MHz时的输出波形：

输入信号为11.155MHz时的输出波形：

在IN1端输入11.155MHz的信号后，依旧有输出波形，且和输入为10.245MHz时完全一样，说明有镜像干扰。

五、实验总结

本次晶体三极管混频实验主要通过实验的方法验证了之前所学的理论知识，在实验中对混频的原理有了更深的理解，也了解了射极电流、本振信号幅度、输入信号幅度等对输出信号的影响。

同时，也了解到该实验电路中，是存在镜像干扰的。

此外，在实验中发现，当某一因素如输入信号幅度改变时，输出并不是瞬间改变，而是有一个缓冲过程，经验证该过程的长短与基极前的分压电路有关系，即受到RW1的影响。

猜测电路中存在的分布电容及分布电感也会有影响，但由于其值较小，影响很微弱。