11.4 集成混频电路 - Dr. Si, Pengbo

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通信电路原理
第十一章 混频
司鹏搏
综合楼825
[email protected]
第十一章 混频
主要内容
• 11.1 概述[1]
• 11.2 晶体管混频[2]
• 11.3 场效应管混频[3]
• 11.4 集成混频电路[2]
• 11.5 组合频率干扰及非线性失真[1]
• 11.6 零中频频谱变换[0]
第十一章 混频
重点和难点
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 掌握混频原理和混频电路,混频器中
出现的组合频率干扰及非线性失真
• 实际混频电路的分析
通信电路原理
司鹏搏
综合楼825
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第十一章 混频
11.1 概述
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 一、 混频与变频
– 变频: 本振与混频为一个管
– 混频: 混频独立为一个管
– FM信号混频
• 设:载频 f0,本振频率 fL ,中频 fi
– fL - f0 = fi 低中频方案(广播、电视)
– fL + f0 = fi 高中频方案(SSB电台)
第十一章 混频
FM信号的混频
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
第十一章 混频
二、 对混频器的主要要求
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 信号失真小
– 仅对信号载频进行变换,即:
• 保持原AM波的包络变化规律
• 保持原FM波的频率变化规律
• 噪声系数小
– 因混频器处于系统前端
• 混频增益AVC大
– 可提高灵敏度和系统信躁比
• 选择性好
– 抑制组合频率和干扰
第十一章 混频
三、 混频器的分析方法
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• vS(ω0)、vL(ωL)幅度均较小
– 采用幂级数法(p201)
– v = V0m+V1mcosω1t +V2mcosω2t
– 代入幂级数展开式,取前四项,得
第十一章 混频
三、 混频器的分析方法
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 含有
第十一章 混频
三、 混频器的分析方法
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• vS(ω0)小、vL(ωL)大
– 采用时变参量法 (p203 6-31式)
• i = (I0+ I1cosωLt + I2cos2ωLt +...)+
(go+ g1mcosωLt +g2mcos2ωLt +...)
VsmcosωSt
• 乘积项: g1mcosωLt VsmcosωSt
• 含有
项
第十一章 混频
三、 混频器的分析方法
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 乘法混频器 (p190)
– 令:v1=Vcm(1+mcosΩt)cosω0t
v2= VLm cosωLt (本地参考信号) (ω0
≈ωL )
– 则:v3= Kv1v2
= KVcmVLm(1+mcosΩt)cosω0t cosωLt
= (K/2) VcmVLm(1+mcosΩt)cos(ω0+ωL)t
+ (K/2) VcmVLm(1+mcosΩt)cos(ω0-ωL)t
– 经带通滤波器(f0’ =f0 + fL , B =2F)
• v上混频=(VcmVLm(1+mcosΩt)cos(ω0+ωL)t
– 经带通滤波器( f0’ =f0 - fL , B =2F)
• v下混频=(K/2) VcmVLm(1+mcosΩt)cos(ω0-ωL)t
第十一章 混频
11.2 晶体管混频
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 一、基本电路(图11-2 p341)
– 带通滤波器 (选频网络)
– 中心频率:ωi=ωL-ω0
– 保证输出vi(ωi)的通带,与输入vs(ω0)的通带相同
第十一章 混频
二、混频原理
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 采用时变参量分析法
– 输入信号 vs(t) 几mV
• 在不同工作点(跨导)处,瞬时为线性放大
– 本振信号 vL(t) 50~200mv
• 改变工作点的周期性函数
第十一章 混频
三、混频器主要参数(图11-3 p343)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
第十一章 混频
工作状态选择(图11-4 p343)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
第十一章 混频
工作状态选择(图11-4 p343)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 例
– 小于10MHz工作时,为使Apc大、Nf小,
– 综合选择:Ie= 0.2~1mA , VL= 50~250mV
第十一章 混频
四、实例
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 电视机混频电路(图11-6 p344)
– 回路并接 1.2K, 降低Q值,η=2(强耦合),以保证
8MHz 的全电视信号通过
– Ie=2mA,略大(可提高 Apc),前有高放级,Nf 影
响较小
第十一章 混频
四、实例
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 广播接收机变频电路(图8-7 p247)
第十一章 混频
四、实例
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 双频手机的混频电路 (图11-7 p345)
– fGSM=900MHz,fDCS=1800MHz
– f i=215MHz,fL<fs
第十一章 混频
11.3 场效应管混频
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 双极性晶体管
– 含有许多高次方项,易产生组合频率干扰和失真
• 场效应管
– 平方律特性
– 可避免出现高次项
– 且v2项的系数为常数
– 可减少组合频率干扰和失真
第十一章 混频
一、混频电路
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 图11-9 p348
– 结型
– 双栅MOS型
第十一章 混频
二、场效应管混频特点
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• iD中无高次项
– 组合频率干扰小
– 动态范围大(vs可较大)
– 输入、输出阻抗大
• 混频增益较低
– 收音机、电视机较少应用
第十一章 混频
11.4 集成混频电路
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 一、简单差动
对管混频
– 为二象限乘法
器混频
• 当vs较小时,
ic中有Kv1v2项
• 选出下中频项
ωi=ωL-ω0
第十一章 混频
二、双差动模拟乘法混频电路
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 为四象限乘法器 (图11-11 p349)
– 优点
• 抑制中频干扰能力强
• 寄生频道、组合信号少
• 互调和交调失真小
• 噪声低
• 且vL< vs(可互换)时
也无包络失真,但增益↓
第十一章 混频
三、ULN-2204单片收音机混频及本振电路
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 图11-12 p350
第十一章 混频
四、MC1596乘法器混频电路
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 图11-13 p351
第十一章 混频
11.5 组合频率干扰及非线性失真
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 组合频率干扰在中频附近(通带内)
时难以消除
• 输入vs之外,存在邻波道信号vm,可产
生寄生频道干扰和交叉调制失真
• vs幅度较大时,易产生寄生调幅(包络
失真)
第十一章 混频
一、组合频率干扰
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• vs 与vL的不同谐波的一些组合频率分量,
若在中频附近的 信号通带内,无法滤
除,产生组合频率干扰
• 例如: 晶体三极管ic中的组合频率分量
– fp,q= |±pfL±q f0|
(表11-2 p352)
第十一章 混频
一、组合频率干扰
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 例1
– 接收vs的f0= 931kHz , 中频 fi = 465kHz
• 则 本振vL的fL=1396kHz
– 若: fp,q = 2 f0 - fL=1862-1396=466kHz
• 466kHz在中频附近通带内,无法滤除
– 因检波器的非线性作用产生
• 466-465=1kHz (差拍信号干扰/哨声)
– 克服方法
• 减小器件非线性
• 采用平方律器件
• 重新选择中频
第十一章 混频
一、组合频率干扰
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 例2
– f0 = 930kHz , fi = 465kHz , 则 fL=1395kHz
– fL- f0=1395 - 930=465kHz
• 有用 fi
– 2f0- fL=1860 -1395=465kHz
• 无用 fi /中频干扰
第十一章 混频
二、寄生频道 fM干扰 (组合副波道干扰)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
– 将产生寄生频道干扰
第十一章 混频
二、寄生频道 fM干扰 (组合副波道干扰)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 例1
– f0 =1070kHz , fi =465kHz , fL=1535kHz ,
fM =1000kHz
– fL - f0 =1535 -1070 = 465kHz
• 有用 fi
– 2 fM – fL=2000 -1535 = 465kHz
• 无用 fi /中频干扰
– 计算 fM : p=1, q=2
• fM =( pfL+ fi)/ q =(1535+465)/2=1000kHz
第十一章 混频
二、寄生频道 fM干扰 (组合副波道干扰)
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 例1
– f0=660kHz , fi =465kHz , fL=1125kHz
• p=0, q=1: fM = 465kHz (产生中频干扰)
• p=1, q=1: fM = 1590kHz = f0+2 fi = fL+ fi
– fM =1590kHz时, 产生镜像中频干扰
– 图11-14 p353
– p=2 , q=3:fM=...
– p=3 , q=3:fM=...
第十一章 混频
三、非线性失真
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 包络失真和大信号阻塞
– vs过大时
• 包络失真:幂级数中的高次方项起作用影响包络
• 大信号阻塞:晶体管饱和或截止(限幅)
• 交叉调制失真
– 设 vs之外,存在干扰台vM,则v be=vL + vs +vM
– 若是vM调幅信号,将产生许多交叉调制信号,当
某交叉调制信号的中心频率为fi时,则vM信号(干
扰)和vs信号被同时放大和解调
• 互相调制失真
– 若vs之外,存在干扰台vM 1、 vM 2,则产生类似交
叉调制失真的互相调制失真
第十一章 混频
四、减小干扰和失真的措施
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• vs较小
• 提高混频前各级(天线回路,高放)的选
频能力
• 采用具有乘法、平方律特性的器件
• 采用乘法器、平衡混频电路
• 合理选择 fi
第十一章 混频
11.6 零中频频谱变换
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 零中频混频概念
第十一章 混频
一、零中频接收机
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 设输入为已调制信号X (t)(调幅、调角波)为
第十一章 混频
一、零中频接收机
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 经相乘器后
• 低通滤波器滤去高频,取出低频输出,即
第十一章 混频
一、零中频接收机
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 讨论
– 输入已调信号X(t)为调幅波
– 输入已调信号X(t)为调角波,经反正切电
路得到角度
第十一章 混频
二、软件无线电中的零中频接收
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
第十一章 混频
小结
11.1 概述
11.2 晶体管
混频
11.3 场效应
管混频
11.4 集成混
频电路
11.5 组合频
率干扰
及非线
性失真
11.6 零中频
频谱变
换
• 11.1 概述[1]
– 混频的作用和原理
• 11.2 晶体管混频[2]
– 混频电路分析
• 11.3 场效应管混频[3]
• 11.4 集成混频电路[2]
– 电路分析
• 11.5 组合频率干扰及非线性失真[1]
– 组合频率干扰、寄生频道干扰和交叉调制失真
• 11.6 零中频频谱变换[0]

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