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1、射频通信电路第六章 混频器 第1页，本讲稿共30页调幅调幅接收机接收机混频器的结构框图混频器的结构框图 混频器结构：三个端口混频器结构：三个端口输入输入信号、信号、本振本振信号、信号、中频中频信号信号非线性器件带通滤波器本地振荡器第2页，本讲稿共30页时域时域特性特性输出、输入输出、输入波形波形相同、载频不同相同、载频不同 混频本质混频本质线性频谱搬移线性频谱搬移频域频域特性特性输出、输入输出、输入频谱结构、频谱结构、带宽带宽相相 同，载频不同同，载频不同混频电路的实现混频电路的实现1.乘法器乘法器2.非线性器件非线性器件双极晶体管双极晶体管场效应管场效应管二极管二极管为减少组合频率分量为减少
2、组合频率分量工作于工作于线性时变状态线性时变状态第3页，本讲稿共30页混频器的混频器的主要指标主要指标 增益增益 10 dB NF 12 dB IIP3 +5 dBm 输入阻抗输入阻抗 50口间隔离口间隔离 10 20 dB 1.增益增益变频变频增益增益=输出输出中频中频输入输入射频射频第4页，本讲稿共30页射频口射频口阻抗阻抗中频口中频口阻抗阻抗按按增益增益划分混频器划分混频器有源有源混频器混频器增益大于增益大于1无源无源混频器混频器增益小于增益小于1电压增益电压增益功率增益功率增益两者关系？两者关系？第5页，本讲稿共30页2.噪声噪声讨论混频器噪声的意义讨论混频器噪声的意义接收机前端，对系
3、统噪声影响大接收机前端，对系统噪声影响大对射频而言是线性，可用线性网对射频而言是线性，可用线性网络噪声计算公式络噪声计算公式混频器的噪声来源混频器的噪声来源电路器件噪声电路器件噪声两个输入噪声两个输入噪声射频输入射频输入本振输入本振输入混频器的输出噪声混频器的输出噪声位于中频段位于中频段频谱搬移频谱搬移低噪放低噪放 F1、G1带通滤波器带通滤波器 F2、G2混频器混频器F3、G3第6页，本讲稿共30页混频器的混频器的单边噪声单边噪声和和双边噪声双边噪声讨论射频噪声的搬移讨论射频噪声的搬移单边单边噪声噪声 射频信号位于本振的一边射频信号位于本振的一边 被搬移到被搬移到中频中频的噪声的噪声射频射频
4、信号段信号段镜像镜像频段频段双边双边噪声噪声射频信号位于本振的两边射频信号位于本振的两边不存在镜像频率（如零中频方案）不存在镜像频率（如零中频方案）单边单边噪声是噪声是双边双边的两倍的两倍（高（高3dB）第7页，本讲稿共30页非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器3.失真失真混频混频频谱线性搬移频谱线性搬移非线性器件非线性器件平方项平方项非线性器件非线性器件高次方项高次方项产生组合频率产生组合频率干扰、失真干扰、失真（1）干扰哨声）干扰哨声特征：接收机音频出现哨叫特征：接收机音频出现哨叫混频输入：混频输入：仅有仅有有用射频有用射频付波道付波道中频中频 主中频主中频付波道中频付波道
5、中频进入检波（解调）进入检波（解调）形成形成哨叫哨叫主主中频：中频：（二次方项二次方项）组合组合频率频率（次方项次方项 ）第8页，本讲稿共30页（2）寄生通道干扰）寄生通道干扰非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器主主中频：中频：干扰信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率寄生通道干扰寄生通道干扰最最主要主要的寄生通道干扰的寄生通道干扰 镜像镜像频率干扰频率干扰特征：输入伴有特征：输入伴有干扰信号干扰信号变换能力与主中频一样变换能力与主中频一样 中频干扰中频干扰直通直通不需要混频不需要混频变换能力最强变换能力最强第9页，本讲稿共30页靠得靠得最近最近的干扰（半中频干扰）的干扰
6、（半中频干扰）变换能力：变换能力：由非线性器件的由非线性器件的4次方引起次方引起 0三种比较主要的三种比较主要的寄生通道干扰寄生通道干扰见图见图第10页，本讲稿共30页（3 3）互调失真）互调失真非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器特征：输入端伴有多个干扰信号特征：输入端伴有多个干扰信号但是当但是当组合频率组合频率每个干扰和本振混频每个干扰和本振混频由非线性器件的由非线性器件的 次方项次方项 产生产生互调干扰互调干扰称称 三阶互调三阶互调 满足满足或或第11页，本讲稿共30页4.线性范围线性范围问题问题:混频是一种非线性功能，为什么有混频是一种非线性功能，为什么有“线性线性”指
7、标？指标？混频混频射频射频本振本振中频中频混频器的混频器的非线性非线性 输出、输入输出、输入频率不同频率不同混频器的混频器的线性线性 输出输出中频中频幅度幅度 输入输入射频射频幅度幅度 成正比成正比线性指标线性指标变频增益变频增益下降下降1-dB1-dB时相应的输入（或输出）功率值时相应的输入（或输出）功率值 （1 1）1-dB 1-dB 压缩点压缩点第12页，本讲稿共30页（2 2）三阶互调截点）三阶互调截点混频混频射频射频本振本振中频中频输入信号输入信号有用有用信号信号干扰干扰信号信号（设输入信号幅度相同）（设输入信号幅度相同）互调互调信号产生信号产生 的中频的中频 主主中频中频幅幅度度相
8、相等等，三三阶阶截截点点截点对应的输入、输出截点对应的输入、输出第13页，本讲稿共30页（3）线性动态范围）线性动态范围定义：定义：1-dB 1-dB 压缩点与混频器的噪声基底之比，用压缩点与混频器的噪声基底之比，用dBdB表示表示混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高5.口间隔离口间隔离射频口射频口本振口本振口中频口中频口本振泄漏本振泄漏影响影响LNA天线辐射天线辐射频率频率牵引牵引强信号强信号堵塞堵塞射频口射频口 中频口中频口一般情况一般情况射频射频中频，被滤除中频，被滤除零中频方案时零中频方案时低噪放的偶次谐波失真会窜入中频低
9、噪放的偶次谐波失真会窜入中频第14页，本讲稿共30页零中频零中频方案中，射频口方案中，射频口 中频口的影响中频口的影响信号强信号强频率相近频率相近射频输入为：射频输入为：设设LNA特性为：特性为：偶次方偶次方项产生的项产生的差拍差拍 差拍信号从射频口差拍信号从射频口 中频口中频口干扰干扰直通泄漏直通泄漏第15页，本讲稿共30页6.阻抗匹配阻抗匹配混频器混频器低噪放低噪放中频中频滤波器滤波器本振源本振源对混频器三个口对混频器三个口 的的阻抗要求阻抗要求 匹配匹配最佳传输最佳传输 每个口对每个口对另外另外两个口的信号两个口的信号 力求短路力求短路 减少口间干扰减少口间干扰第16页，本讲稿共30页6
10、.2 6.2 有源混频器电路有源混频器电路用双极型晶体管或场效应管构成用双极型晶体管或场效应管构成特征特征:混频增益混频增益 16.2.1 6.2.1 单管跨导型混频器单管跨导型混频器1.工作原理工作原理直流电源直流电源和偏置和偏置射频输入射频输入和和本振本振中频输出中频输出原理电路原理电路第17页，本讲稿共30页（1）工作状态）工作状态线性时变线性时变 线性时变必须线性时变必须满足的条件：满足的条件：两个输入：两个输入：一大一小一大一小，且且 分析线性时变的两要素分析线性时变的两要素（a）时变）时变时变偏置引出时变偏置引出时变跨导时变跨导时变偏置：时变偏置：在时变工作点展开在时变工作点展开代
11、入代入第18页，本讲稿共30页时变跨导富氏展开：时变跨导富氏展开：重复频率为重复频率为展开式展开式系数随系数随时变偏置时变偏置而而时变时变时变频率时变频率与与时变偏置时变偏置中的中的 相同相同时变跨导：时变跨导：第19页，本讲稿共30页（b）线性）线性小信号与时变跨导相乘引出频谱线性搬移小信号与时变跨导相乘引出频谱线性搬移漏极输出电流漏极输出电流条件：小信号条件：小信号相乘相乘定义：定义：变频跨导变频跨导时变跨导基波分量的一半时变跨导基波分量的一半输出中频电压输出中频电压滤波滤波，得中频电流，得中频电流变频增益变频增益第20页，本讲稿共30页（2）变频跨导的求法）变频跨导的求法根据根据跨导的定
12、义跨导的定义 求出器件的求出器件的 关系曲线关系曲线 代入混频器的代入混频器的时变偏置时变偏置 已知器件的已知器件的伏安特性曲线伏安特性曲线 第21页，本讲稿共30页变频跨导变频跨导 通过曲线通过曲线 画出画出时变跨导的波形时变跨导的波形 分析分析变频跨导变频跨导与与本振幅度本振幅度 的关系的关系的基波分量最大的基波分量最大变频跨导的最大值变频跨导的最大值 变为变为方波方波 对对 富氏级数分解富氏级数分解 求出求出基波分量幅度基波分量幅度 第22页，本讲稿共30页2.设计考虑设计考虑（1 1）RF口和口和LO口的设计口的设计 隔直流电容隔直流电容匹配匹配问题：问题：RF口和口和LO口同接在栅极
13、口同接在栅极 管子输入端管子输入端与谁匹配？与谁匹配？主要考虑与主要考虑与RF口前低噪放口前低噪放 匹配匹配保证小信号传输保证小信号传输LO 口的耦合电容很小，以使本振源不影响口的耦合电容很小，以使本振源不影响RF口的参数口的参数 第23页，本讲稿共30页晶体管作为晶体管作为混频器混频器的的等效电路？等效电路？与作为与作为放大器放大器的的等效电路等效电路的的 异同？异同？输入阻抗同输入阻抗同输出阻抗同输出阻抗同等效电流源不同等效电流源不同放大器放大器混频器混频器变频跨导变频跨导第24页，本讲稿共30页（2）偏置偏置 在相同的本振幅度下，在相同的本振幅度下，偏置偏置不同，不同，时变跨导时变跨导也
14、不同也不同 时变偏置时变偏置随本振电压随本振电压 变化时，变化时，应保证应保证场效应管工作于场效应管工作于饱和区饱和区漏极对本振的漏极对本振的交流阻抗为交流阻抗为0，本振变化不影响本振变化不影响漏极电压漏极电压措施措施漏极加漏极加LO串连回路串连回路第25页，本讲稿共30页（3）输出回路输出回路中频输出回路功能：中频输出回路功能：选频滤波（回路选频滤波（回路 带宽与输入射频信带宽与输入射频信 号带宽相同）号带宽相同）阻抗变换（将中阻抗变换（将中 频负载变换到混频频负载变换到混频 器输出漏极所需阻器输出漏极所需阻 抗）抗）（4）中频陷波中频陷波目的：目的：为了减少混入输入端的中频干扰和噪声为了减
15、少混入输入端的中频干扰和噪声方法：方法：FET的栅极应对中频短路的栅极应对中频短路中频陷波器中频陷波器第26页，本讲稿共30页（5）本振注入方式本振注入方式 从从源极源极注入注入优点优点LO 口与口与RF口的隔离加大口的隔离加大 直流栅偏压直流栅偏压时变偏置时变偏置缺点缺点 本振源提供的功率比从栅极注入要大本振源提供的功率比从栅极注入要大 对射频对射频 的的负反馈负反馈，使混频增益下降，使混频增益下降 从从栅极栅极注入注入优点优点需要的本振功率小需要的本振功率小缺点缺点LO 口与口与RF口的隔离差口的隔离差第27页，本讲稿共30页3.双栅双栅FET混频器混频器双栅混频器交流通路图双栅混频器交流
16、通路图电路特点电路特点 场效应管场效应管两个栅极两个栅极 本振信号本振信号接在接在 靠近漏极的靠近漏极的栅极栅极G2上上 射频信号射频信号接在接在 靠近源极的靠近源极的栅极栅极G1上上 本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配 接本振信号的栅极接本振信号的栅极G2应对中频短路应对中频短路 漏极应对本振和射频短路漏极应对本振和射频短路 第28页，本讲稿共30页双栅双栅FET混频器工作原理混频器工作原理（1）FET2工作特征工作特征之一之一（2）FET1工作特征工作特征 FET1管工作在可变电阻区管工作在可变电阻区 （条件（条件 很小）很小）FET1的跨导：的跨导：
17、与与 成成线性线性与与 成正比成正比时变跨导时变跨导重复频率为重复频率为 输入为本振信号输入为本振信号 输入为射频信号输入为射频信号 作为作为跟随器跟随器工作，源极输出工作，源极输出 跟随输入，即跟随输入，即第29页，本讲稿共30页 FET1的的输出电流输出电流与射频输入与射频输入关系？关系？（3）FET2工作特征工作特征之二之二包含了频率包含了频率 ，实现了混频功能，实现了混频功能 FET2负载负载为为中频滤波器中频滤波器 FET2为为共栅中频放大器共栅中频放大器足够大的中频增益足够大的中频增益双栅场效应管混频器双栅场效应管混频器优点优点：口间隔离好、易匹配、变频增益大：口间隔离好、易匹配、变频增益大 FET2栅极栅极中频短路中频短路FET2第30页，本讲稿共30页