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1、5.2 非线性元件的特性非线性元件的特性5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.4 线性时变参量电路分析法线性时变参量电路分析法5.5 变频器的工作原理变频器的工作原理5.1 概述概述End5.7 二极管混频器二极管混频器5.8 差分对模拟乘法器混频电路差分对模拟乘法器混频电路5.9 混频器中的干扰混频器中的干扰5.10 外部干扰外部干扰5.6 晶体管混频器晶体管混频器 在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从从fs变换为固定变换为固定fi的的过程称为变频或混频。过程称为变频或混频。（以调幅为例（以调幅为例）在接收机中，在接
2、收机中，fi称为中频。一般其值为称为中频。一般其值为其中其中fo是是本地振荡频率。本地振荡频率。超外差式接收机超外差式接收机 1.1.定义定义其中，其中，fi大于大于fs的的混频称为上混频，混频称为上混频，fi小于小于fs的混频称为下混频。的混频称为下混频。举例举例 经过混频器变频后，输出频率为经过混频器变频后，输出频率为 混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。波频率，而振幅包络形状不变。2max I I=0 0-s s乘法器乘法器 带通滤带通滤 波器波器混频器的一般结构框图混频器的一般结构框图设输入已调
3、波信号：设输入已调波信号：那么两信号的乘积项为：那么两信号的乘积项为：0v00-s0+suI 本振信号本振信号:vss如果带通滤波器的中心频率为如果带通滤波器的中心频率为,带宽带宽 vIvsv0v0vs 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波器图图图图 5.4.2 5.4.2 变频前后的频谱图变频前后的频谱图变频前后的频谱图变频前后的频谱图2.2.混频的实质混频的实质线性频率变换线性频率变换 频谱搬移频谱搬移 End3.3.混频器的性能指标混频器的性能指标A.A.变频变频(混频混频)增益：增益：混频器输出中频电压混频器输出中频电压V Vimim与输入信号电压与输入信号电压V Vsmsm的
4、的幅值之比。幅值之比。B.B.噪声系数：噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。C.C.选择性：选择性：抑制中频以外的信号的干扰的能力。抑制中频以外的信号的干扰的能力。D.D.非线性干扰：非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。vs+-+-v0VBBVCCVTCLvB(t)ic1.1.工作原理工作原理1.1.工作原理工作原理时变电导时变电导v0vs非线性电子器件工作于线性时变状态要求：V V0m0mV Vsmsm。对于振幅很小的信号电压vs来说，在其变化的动态范围内，近似认为器
5、件参量为常数。信号电压作用的同时，器件参量（跨导）随简谐振荡电压v0周期性改变，所以称该电路为线性时变参量电线性时变参量电路路。若函数 f(x)在点的某一邻域内具有直到（n+1）阶导数，则在该邻域内 f(x)的n阶泰勒公式为：以上函数展开式称为泰勒级数泰勒级数。在泰勒公式中，取a=0，得到的级数称为麦克劳林麦克劳林级数 泰勒级数泰勒级数vs+-+-v0VBBVCCVTCLvB(t)ic 线性时变电路线性时变电路：指电路元件的参数：指电路元件的参数不是恒定不变的，而是按一定规律随时不是恒定不变的，而是按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。压无关
6、。其中：v=v1 1+v2 2v1 1相对于v2 2很小if(v)在在(VQ+v2 2)关于v1 1的泰勒级数展开式，即若v1 1足够小，可以忽略上式中v1 1的二次方及其以上各次方项，则该式可简化为i=f(VQ+v2 2)+f(VQ+v2 2)v1 1vs+-+-v0VBBVCCVTCLvB(t)ic 前面分析表明，要进行混频，可以用非线性电子器件工作于线性时变状态来实现,即V V0m0mV Vsmsm。iC=f(VBB+v0 0)+f(VBB+v0 0)vs s其中f(VBB+v0)是时变跨导。已知振荡电压 v0 0=V0cos0tiC=f(VBB+v0 0)+f(VBB+v0 0)vs
7、s已知输入电压已知输入电压 vs s=V(t)cosst中频输出电流中频输出电流 变频跨导变频跨导 图图图图 5.6.1 5.6.1 晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态晶体管混频器的电路组态2.2.电路组态电路组态iC=f(vBEBE)=f(VBB+v0 0+vs s)图图图图 5.6.3 5.6.3 混频管跨导随本振电压混频管跨导随本振电压混频管跨导随本振电压混频管跨导随本振电压V V变化变化变化变化End4.4.混频特点混频特点优点：有变频增益优点：有变频增益 缺点：缺点：1）动态范围较小）动态范围较小 2）组合频率干扰严重）组合频率干扰严重 3）噪声较大）
8、噪声较大 4）存在本地辐射）存在本地辐射5.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器5.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器 （双平衡混频器）（双平衡混频器）图图图图 5.7.1 5.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器如果如果如果如果V V0m0m V Vsmsm ,D D1 1和和和和D D2 2工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，图图图图 5.7.1 5.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同
9、二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同时，在输出端没有本振角频率时，在输出端没有本振角频率时，在输出端没有本振角频率时，在输出端没有本振角频率 0 0及其谐波分量的电压。及其谐波分量的电压。及其谐波分量的电压。及其谐波分量的电压。End图图图图 5.7.2 5.7.2 二极管环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器图图图图 5.7.3 5.7.3 在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器在本振电压正半周的环形混频器图图图图 5.7.4 5.7.4 在本振电压负半周的环形混频器
10、在本振电压负半周的环形混频器在本振电压负半周的环形混频器在本振电压负半周的环形混频器 提供混频增益的同时，进一步减小输入信号频率提供混频增益的同时，进一步减小输入信号频率提供混频增益的同时，进一步减小输入信号频率提供混频增益的同时，进一步减小输入信号频率成分。成分。成分。成分。End图图图图 5.8.1 5.8.1 差分对混频器差分对混频器差分对混频器差分对混频器End图图图图 5.8.2 5.8.2 模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器 if(v)在在(VQ+v1 1)关于v2 2的泰勒级数展开式为：若v2 2足够小，可以忽略上式中v2 2的二次方及其以上各次方项
11、，则该式可简化为i=f(VQ+v2 2)+f(VQ+v2 2)v1 1回顾：回顾：1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰哨叫干扰哨叫干扰 当接收机接收某一电台音频信号时，除了能听到有用信号外，还同时能听到等音频的哨叫声。F为音频为音频现象：现象：p+q n1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰哨叫干扰哨叫干扰（以调幅为例（以调幅为例）它将与有用信号叠加，并同时被中频放大器放大，然后检波输出。检波器除了输出有用信号的解调信号外，还伴有一个频率为F的音频信号，这就形成了哨叫干扰。1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合
12、频率干扰哨叫干扰哨叫干扰举例：举例：调幅广播接收机的中频，某电台发射频率 当接收该电台广播时，接收机的本振频率 由于变频比 可推算出：当，可得 2.干扰信号和本振产生的副波道干扰干扰信号和本振产生的副波道干扰 当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，在通频带以外的电台信号也有可能进入混频器的输入端而形成干扰。原因：这时，频率为fn的干扰信号便顺利进入中频放大器，经检波后使可听到这一干扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道对有用信号形成的干扰，所以称为副波道干扰，又称寄生通道干扰。考虑到下混频，只有以下两式成立2.干扰信号和本振产生的副波道干扰干扰信号和本振产生的副波道干扰1）中频干
13、扰）中频干扰一次项：一次项：由于混频器对中频信号具有良好的放大性能，传送至中频放大器的中频干扰信号有可能比有用信号更强。2.干扰信号和本振产生的副波道干扰干扰信号和本振产生的副波道干扰2）镜像干扰）镜像干扰二次项：二次项：这种干扰对于混频器和中频放大器来说，其传输能力与有用信号完全相同，所以它将顺利地通过中频放大器经检波而造成严重的干扰。End干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰 当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电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，并随着有用信号的消失而完全消失，换句话说，好象干
14、扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。现象：干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非理想相乘特性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包迹发生变化。成因：分析表明，非理想相乘特性的四次项中所含的v0 vs vn2项将产生寄生中频信号，End两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰 在输入有用信号的同时，有两个干扰信号vn1(t)和vn2(t)也作用于混频器输入端,使混频器的输入端同时作用了包括本机振荡共4个输入信号，这两个干扰信号与本机振荡信号的组合就有可能产生
15、两个干扰信号间的互相调制，从而产生寄生中频分量。成因：两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰 实际上，由于混频器前的高频放大器具有良好的滤波作用，往往只有频率比较接近输入信号频率的两个干扰信号才能有效地加到混频器的输入端。因此，假定两个干扰信号的频率fn1和fn2比较靠近fs，那么能够满足上式情况限于组合频率干扰End1.1.阻塞现象阻塞现象 当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于输入电路抑制不良，会使前端电路内的放大器或混频器工作于严重的非线性区域，甚至完全破坏晶体管的工作状态，使输出信噪比大大下降。这就是强信号阻塞现象。信号过强时，甚至可能导致晶体管
16、的结被击穿，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。2.2.相互混频相互混频 因为这时是将本振源的边带噪声去调制干扰信号（较强），故称为噪声调制。这时干扰信号作为噪声调制中的载频，本振源中的边带噪声（较弱）当作输入信号，正好与原来的混频位置颠倒，所以又称为倒易混频。图图图图 5.9.1 5.9.1 倒易混频示意图倒易混频示意图倒易混频示意图倒易混频示意图 (1)(1)混频（变频）器的工作原理混频（变频）器的工作原理 (2)(2)晶体管混频器时变跨导电路分析泰勒级数晶体管混频器时变跨导电路分析泰勒级数 (3)(3)二极管平衡二极管平衡/环形混频器的工作原理环形混频器的工作原理 (4)(4)混频器中的干扰混频器中的干扰