非線性電路時變參量電路和變頻器

1、1第四章非線性電路、時變參量電路和變頻器機械與電子工程學(xué)院汪志成2第4章非線性電路、時變參量電路和變頻器 4.1 概述 4.2 非線性元件的特性 4.3 非線性電路分析法 4.4 線性時變參量電路分析法 4.5 變頻器的工作原理 4.6 晶體管混頻器4.7 二極管混頻器 4.8 差分對模擬乘法器混頻電路 4.9 混頻器的干擾 4.10 外部干擾 Next高頻電子線路High Frequency Circuit思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題4.1 概述 無線電元 件線性元件時變參量元件非線性元件元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓無關(guān)。元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓有關(guān)。元件參數(shù)按照一定

2、規(guī)律隨時間變化。嚴格地講，一切實際的元件都是非線性的，但在一定條件下，元件的非線性特性可以忽略不計，則可將該元件近似地看成是線性元件。 在無線電工程技術(shù)中，較多的場合并不用解非線性微分方程的方法來分析非線性電路，而是采用工程上適用的一些近似分析方法。這些方法大致分為圖解法和解析法兩類。u圖解法，就是根據(jù)非線性元件的特性曲線和輸入信號波形，通過作圖直接求出電路中的電流和電壓波形。u解析法，就是借助于非線性元件特性曲線的數(shù)學(xué)表示式列出電路方程，從而解得電路中的電流和電壓。 4.2 非線性元件的特性 與線性電阻不同，非線性電阻的伏安特性曲線不是直線。（1）非線性器件的工作特性Q1RQ1r00QIVR

3、ivrddQ+- -vi+- -vi（2）非線性元件的頻率變換作用 輸出電流與輸入電壓相比，波形不同，周期相同?？芍娏髦邪妷褐袥]有的頻率成分。線性電阻上的電壓線性電阻上的電壓與電流波形與電流波形正弦電壓作用于二極管正弦電壓作用于二極管產(chǎn)生非正弦周期電流產(chǎn)生非正弦周期電流+- -vi+- -vitVtVvvv22m11m21sinsin 直流分量； 諧波分量：212,2組合頻率分量：結(jié)論：“非線性”具有頻率變換作用。 設(shè)非線性電阻的伏安特性曲線具有拋物線形狀，即設(shè)非線性電阻的伏安特性曲線具有拋物線形狀，即i=kv2 ,當該元件上加有兩個正弦電壓當該元件上加有兩個正弦電壓v1和和v2時時

4、21,21tVktVktVkVtVkVVVki222m121m212m1m212m1m22m21m2cos22cos2coscos2頻率成分（3）非線性電路不滿足疊加原理結(jié)論：非線性電路不滿足疊加原理。設(shè)：tVtV22m11m2sinsin1v上式電壓作用于線性電阻時，可得tRVtRVRRi22m11m21sinsin對于非線性電路來說有tVtkVkk2221222221sinsin2m1mittVkVtVtkVmm2121222122sinsin2sinsin2m1mi根據(jù)疊加原理得)(vfi 若21vvv )()(21vfvfi而4.3 非線性電路分析法 （1）冪級數(shù)分析法(power s

5、eries method)常用的非線性元件的特性曲線可表示為式中a0，a1， a2， 為各次方項的系數(shù)，它們由下列通式表示)(vfi i = a0+a1v +a2v2 + a3v3 + )(!1d)(d!1)(nQQnVnnVfnfnavvv上述特性曲線可用冪級數(shù)表示為也可將 在靜態(tài)工作點V0 附近展開為冪級數(shù))(vfi i = b0+b1(v-V0) +b2(v-V0)2 + b3(v-V0)3 + 式中b0，b1，b2， 為各次方項的系數(shù)，它們由下列通式表示)(!1d)(d!10)(n0VfnfnanVnnvvv實際運用中常常只取級數(shù)的若干項就夠了。tVtVvvv22m11m21sinsi

6、ni = b0+b1(v-V0) +b2(v-V0)2 + b3(v-V0)3 + 所加電壓為tVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVbtVbtVbtVbtVVbVbVbtVVbVbVbVbVbbi2122m1m32122m1m3212m21m3212m21m3212m1m2212m1m2232m3131m3222m2121m222m21m332m32m1122m1m331m31m122m221m102cos432cos432cos432cos43coscos3cos413cos412cos212cos21cos2343cos23432121基波基波分量分量諧波諧波分量分量tVVb

7、tVVbtVVbtVVbtVVbtVVbtVbtVbtVbtVbtVVbVbVbtVVbVbVbVbVbbi2122m1m32122m1m3212m21m3212m21m3212m1m2212m1m2232m3131m3222m2121m222m21m332m32m1122m1m331m31m122m221m102cos432cos432cos432cos43coscos3cos413cos412cos212cos21cos2343cos23432121直流直流分量分量組合頻率組合頻率分分 量量設(shè)冪多項式最高次數(shù)等于n，則電流諧波次數(shù)不超過n，若組合頻率分量表示為 p 1 q 2 ，返回1返回

8、2返回3則有 p+q n上式說明了電流 i 中所包含的全部頻譜成份。根據(jù)這個結(jié)果，可以看出如下規(guī)律：由于特性曲線的非線性，輸出電流中產(chǎn)生了輸入電壓中不曾有的新的頻率成份：輸入頻率的諧波 和 ， 輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率：1222；和21332121212121212 ,2 ,2,2,由于表示特性曲線的冪多項式最高次數(shù)等于三，所以，電流中最高諧波次數(shù)不超過三，各組合頻率系數(shù)之和最高也不超過三。一般情況下，設(shè)冪多項式最高次數(shù)等于 n，則電流中最高諧波次數(shù)不超過 n ；若組合頻率表示為：21qp則有：nqp表示式電流中的直流成分，偶次諧波以及系數(shù)之和（即電流中的直流成分，偶次諧波以及系數(shù)

9、之和（即p+q）為偶數(shù)）為偶數(shù)的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數(shù)的偶次項系數(shù)（包的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數(shù)的偶次項系數(shù)（包括常數(shù)項）有關(guān)，而與奇次項系數(shù)無關(guān)；類似地，奇次諧波以括常數(shù)項）有關(guān)，而與奇次項系數(shù)無關(guān)；類似地，奇次諧波以及系數(shù)之和為奇數(shù)的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數(shù)及系數(shù)之和為奇數(shù)的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數(shù)的奇次項系數(shù)有關(guān)，而與偶次項系數(shù)無關(guān)。如在上式中，的奇次項系數(shù)有關(guān)，而與偶次項系數(shù)無關(guān)。如在上式中，基波基波振幅均與振幅均與 有關(guān)，而與有關(guān)，而與 無關(guān)，無關(guān)，三次諧波及組合頻率三次諧波及組合頻率，的振幅均只與的振幅均只與 有關(guān)，而與有關(guān)，而與

10、無關(guān)；而無關(guān)；而直流成分直流成分均只與均只與 有關(guān)，而與有關(guān)，而與 無關(guān)；無關(guān)；二次諧波以及組合頻率二次諧波以及組合頻率 的振幅均只與的振幅均只與 有關(guān)，而與有關(guān)，而與 無關(guān)。無關(guān)。212121212 ,2 ,2,22121,表示式表示式3b2b20bb、31bb、31bb、31bb、20bb、20bb、0)(22m221m20VVbb222m222Vb212m22m1343VVb212m22m1343VVb233m234Vb22m1m233m23m212343VVbVbVb1221m2m12VVbm2m12VVb1222m1m2343VVb1222m1m2343VVb122m122Vb133

11、m1341Vb1m12m233m13m112343VVbVbVbn最高次數(shù)為最高次數(shù)為3的多項式的頻譜結(jié)構(gòu)圖的多項式的頻譜結(jié)構(gòu)圖直流直流分量分量實際工作中非線性元件總是要與一定的線性網(wǎng)絡(luò)相互配合起來使用的。非線性元件的主要作用在于進行頻率變換，線性網(wǎng)絡(luò)的主要作用在于選頻或濾波。（2）折線分析法(broken line method)晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性曲線用折線來近似 信號較大時，所有實際的非線性元件幾乎都會進入飽和或截止狀態(tài)。此時，元件的非線性特性的突出表現(xiàn)是截止、導(dǎo)通、飽和等幾種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。折線分析法的適用場合：輸入信號足夠大（使非線性元件進入飽和和截止狀態(tài)）使用折線分析法的優(yōu)點：

12、可簡化分析、計算過程4.4 線性時變參量電路分析法 （1） 時變跨導(dǎo)電路分析（2） 模擬乘法器電路分析（3） 模擬乘法器電路舉例（4） 開關(guān)函數(shù)分析法只要設(shè)法使器件跨導(dǎo)按某一頻率隨時間作周期性變化，就可實現(xiàn)頻率變換。線性時變電路(linear time-varying circuit)：指電路元件的參數(shù)不是恒定不變的，而是按一定規(guī)律隨時間變化，且這種變化與元件的電流或電壓無關(guān)。 時變參量線性電路的正常工作狀態(tài)具有兩個輸入信號，一個是控制信號v0，通常為強信號；一個是被處理信號vs，通常是弱信號。（1） 時變跨導(dǎo)電路分析法smmVV0VBBVCCCL0vsv設(shè)信號電壓為tVvmssscos控制電

13、壓為tVvm000cos VBB O O ic t ebe ebe a 2 b2 a b a 1 b1 BEv因為 iC = f (vBE)= f (VBB + v0+ vs )(SBBCBBSvVfiVv即的偏置電壓把此項看作是那么在任意一個時刻工作區(qū)的小信號可以看作在近似線性的SvSBBBBCvVfVfi)()(于是有幅度一般很大由于0vVVBBBB)(BBBBVfV點展開所以必須用泰勒級數(shù)在0vVVBBBB.)()()(2210BBBBBBBBBBVVbVVbbVf VBB O O ic t ebe ebe a 2 b2 a b a 1 b1 BEv較小黑色信號較大紅色信號Svv0 VB

14、B O O ic t ebe ebe a 2 b2 a b a 1 b1 .)(303202010vbvbvbbVfBB.coscos cos)(300320020010tVbtVbtVbbVfBB則tVv000cos設(shè)02積化和差后產(chǎn)生03積化和差后產(chǎn)生.432)(0000、中只有直流、可以發(fā)現(xiàn)BBVf.2coscos)(02010tItIIVfcmcmcBB可以表示成CBBBBiVfVf都代入上頁中的與將)()(.)(342321vbvbvbbvf由于的形式也可寫成.2coscos)()(02010tgtggVfVfBBBBBEv三極管混頻器中ic的表達式.)2coscos(02010tI

15、tIIicmcmcCSvtgtgg.)2coscos(02010tVvSSScos設(shè))(BBVf)(BBVf.)2coscos(02010tItIIicmcmcCtVtgtggSScos.)2coscos(02010)cos(22,01SSgV分量項積化和差，產(chǎn)生差頻此展開后（2） 模擬乘法器電路分析vov1v2i0TBETBEV/scEV/scEveiiiveiii212211)e1(i)ii1(iiiiT1V/v1E1E2E1E2E1Eo 為為差差模模輸輸入入信信號號電電壓壓。則：差分輸出電流為：)2tanh(1021TccodVviiii)e1(i)ii1(iiiiT1V/v1E1E2E

16、1E2E1Eo 當當vi2VT時，時，TTVv)Vvtanh(2211TodVvii2 10 EbeRvviee320V 而：而：31211ee32222VVvRVRvvRVRVvRvvRRiuETCETCTEbeCCodo ic1ic2ioo1Cii o2Cii 可可以以 看看出出當當1 Z的的范范 圍圍內(nèi)內(nèi)1Ci , 2Ci與與Z近近似似成成線線性性關(guān)關(guān)系系在在常常溫溫下下（T=300K） mV26qKTVT ，所所以以當當mVv261 差差動動放放大大器器工工作作 在在放放大大區(qū)區(qū)域域內(nèi)內(nèi)，這這時時有有： 1mo2C1mo1CvgivgiT1VvZ 式式中中：12C11Cmovivig

17、為為放放大大器器T1，T2的的跨跨導(dǎo)導(dǎo)一一般般當當Z很很能能小小時時：1 ZZeeKT4qiV4igoTomo 有有ZZOi又又由由于于oi是是受受交交流流信信號號2v控控制制的的，式式中中oI表表示示靜靜態(tài)態(tài) 直直流流分分量量， 而而g為為3T的的跨跨導(dǎo)導(dǎo)，一一般般若若eR足足夠夠大大時時，在在eRg1 1121221122)(viRKTqRvgiiRRiRivoCCmoCCCCCCCoiovo1211211222)(2vKvvKvgvRKTqvIRKTqvgvIRKTqvoCoCoCo可見，該電路實現(xiàn)了乘法功能，即具有頻率變換作用。其缺點是輸出端存在非相乘項，因此它不是理想的乘法器。采用雙

18、模擬乘法器可解決此問題。vov1v2i0令 Kv2=K ，則vo又可表示為 K 可視為 v1的電壓放大系數(shù)（時變電壓放大系數(shù)也是時變參量的一種） 。因此，模擬乘法器電路可看作是時變參量電路的一種。 ov0KK21vv1vov0KK 1v1v雙差分對模擬乘法器1T2T3T4T5T6T7T8TXvYvOv1CR2CR3R2R1R1Ci2Ci3Ci4Ci5Ci6Ci7Ci8Ci1CI2CICCVEEV1CV2CVYXTCOvvVIRv204兩個輸入均為小信號時常見的集成模擬乘法器MC1496、MC1596MC1495、MC1595ovsvLRiDsvLRiovrd開關(guān)頻率 o原理電路等效電路電路工作

19、在開關(guān)狀態(tài)很大 0v）（）（表示則有：用開關(guān)函數(shù)0001)(S)(S00vvtt)(S10svvtRriLd）（）（000000svvRrvviLd（3） 開關(guān)函數(shù)分析法svLRiovrd開關(guān)頻率開關(guān)頻率 o o）（）（0001)(S00vvttttt000cos552cos332cos221)(S)(S10svvtRriLdtVtVRri0omssmLdcoscos1ttt000cos552cos332cos221假設(shè)的信號電壓假設(shè)的控制電壓tVtVRri0omssmLdcoscos1ttt000cos552cos332cos221中頻（ o s）分量電流 i 中還包括其它頻率成分v1和v2

20、的頻率成分 s 和 ov1和v2的各奇次諧波頻率的和頻與差頻 (2n-1) o s v2的偶次諧波頻率 2n o通過調(diào)諧于 o s或 o+ s的帶通濾波器則可取出差頻或和頻信號，這就是混頻過程。與晶體管混頻時所含有的頻率分量作比較高頻放大中頻放大解調(diào)器混頻器本地振蕩器低頻放大自動增益控制輸入回路 4.5 變頻器的工作原理 作用：將高頻信號變換為固定的中頻信號。具有這種作用的電路稱為混頻器（mixer）或變頻器(convertor)?；祛l器是如何實現(xiàn)頻譜搬移的會產(chǎn)生差頻。輸入到非線性電路中，后不同頻率的余弦波疊加我們在前面學(xué)過，兩個余弦波分別是：如果這兩個不同頻率的),(cos這里是為了分析簡便

21、能是一個單一余弦波要注意實際的語音不可低頻語音信號tVvSSS)t(cosV000通常由振蕩器產(chǎn)生高頻載波信號v假設(shè)非線性電路的表達式為20)(vvkiS代入上式可得與則將0vvS200)coscos(tVtVkiSStVtkVtVktVk2211222211coscos2coscos)(21202VVkStkVtkVSS02022cos212cos21直流分量倍頻分量tVkVtVkVSSSS)cos()cos(0000和頻分量差頻分量)(見下頁分別畫出其頻譜語音輸入信號頻譜)(SFS)(SV載波輸入信號頻譜)(0F0)(0V輸出信號頻譜S2)(outF020S0S0設(shè)計一個選頻網(wǎng)絡(luò)S2S20

22、從低頻搬移到了高頻要注意若采用差頻，搬移后頻譜要左右翻轉(zhuǎn)作用：將高頻信號變換為固定的中頻信號。具有這種作用的電路稱為混頻器（mixer）或變頻器(convertor)。特點：必須保持調(diào)制規(guī)律不變。AGC輸入回路本地振蕩器混頻器中頻放大解調(diào)器高頻放大低頻放大波形描述u 從波形和頻譜兩個角度進一步解釋混頻的作用與特點u 從波形和頻譜兩個角度進一步解釋混頻的作用與特點特點：必須保持調(diào)制規(guī)律不變?；祛l器波形描述Ff iFf iifFf sFf ssf0f0相對幅度f中頻調(diào)幅波高頻調(diào)幅波本振信號總結(jié)：混頻是頻譜的線性搬移過程，即混頻前后的頻譜結(jié)構(gòu)相同，亦即保持了調(diào)制規(guī)律不變的特點。頻譜搬移頻譜描述例子混

23、頻器高頻已調(diào)波中頻已調(diào)波本振信號高頻已調(diào)波中頻已調(diào)波本地振蕩器本振信號非線性器件帶通濾波器soiffffi大于fs的混頻稱為上混頻， fi小于fs的混頻稱為下混頻。soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0u 混頻器的主要質(zhì)量指標混頻增益 減少非線性失真的各種組合頻率干擾（選擇器件特性接近平方律或近似理想相乘器） 工作穩(wěn)定性：主要是本振頻率穩(wěn)定，才能保證中頻頻率穩(wěn)定混頻噪聲系數(shù)盡量小 中頻輸出回路有良好的選擇性（理想為矩形濾波）混頻功率增益（輸入高頻電壓振幅）（中頻電壓振幅）smimvcVVA （輸入高頻信號功率）（中頻信號功率）sPPAipc4.

24、6 晶體管混頻器 （1）晶體管混頻器原理VBB：混頻管的基極靜態(tài)偏置電壓VCC：混頻管的集電極電源電壓LC：構(gòu)成輸出中頻回路，諧振于中頻 fi 。分析思想：把振幅較大的本振電壓看作是時變工作電壓(疊加在VBB上)，這個電壓使混頻管的工作點（動態(tài)）沿轉(zhuǎn)移特性曲線上下移動，這樣晶體管的跨導(dǎo)則隨之變化，這就是所謂的時變跨導(dǎo)的概念。：大信號即為本振電壓信號；小信號即為高頻已調(diào)波信號。屬于疊加屬于疊加型混頻器型混頻器smmVV0VBBVCCCL0vsv fiBEvCiOovsvOtBEv同時，由于信號電壓vs很小，無論它工作在特性曲線的哪個區(qū)域，都可以認為特性曲線是線性的，而跨導(dǎo)是時變的，故稱為線性時變

25、跨導(dǎo)電路。smmVV0VBBVCCCL0vsv fi)2coscos(02010tItIIiCmCmCCtVtgtggssmcos)2coscos(02010由前面所述的線性時變參量電路的理論可知混頻管中的集電極電流 ic為：若中頻頻率取差值 i= 0 s，則中頻電流分量為tgVtgVii1sms01smicos2cos2smmVV0VBBVCCCL0vsv0vsvCLBBVCCV i= 0 stgVtgVii1sms01smicos2cos2其振幅為21smimgVI變頻跨導(dǎo)定義為121smimcgVIg輸入的高頻電壓振幅輸出的中頻電流振幅還可求得相應(yīng)的混頻電壓增益和功率增益（推導(dǎo)略）Loc

26、csmimvcGggVVAicLvcsgGAPPA2ipc(conversion transconductance)（2）三極管混頻器的幾種電路組態(tài)0vsvif(a)(b)(c)(d)0v0v0vsvsvsvififif0vsvif(a)(b)0vsvif 優(yōu)點：對本振信號是共發(fā)電路，輸入阻抗較大，使本振負載較輕，容易起振，需要的本振注入功率也較小。 缺點：相互間影響較大，可能產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象（pull-in phenomena）。 優(yōu)點：牽引現(xiàn)象可能性小；對本振信號是共基電路，輸入阻抗小，不易過激勵。 缺點：需較大的本振注入功率。0vsvif(a)(b)(c)(d)0v0v0vsvsvsvi

27、fifif均為共基混頻電路，多用于頻率較高的情況，但變頻增益低。組態(tài)(a)、(d)有共同的優(yōu)點：本振易起振。組態(tài)(a)、(c)共同缺點：易產(chǎn)生牽引現(xiàn)象。組態(tài)(b)、(c)有共同的缺點：需較大的本振注入功率。（3）晶體管混頻應(yīng)用電路（調(diào)幅收音機）自激式混頻電路f0fifsvsviv0三極管、L3、L4、C6、C7、C8等構(gòu)成互感耦合振蕩器，為混頻器提供本振信號。同步調(diào)節(jié)，確保固定的中頻輸出輸入、輸出均采用部分接入。這種混頻管組態(tài)的優(yōu)缺點是什么？f0fifsvsviv0（4）晶體管混頻應(yīng)用電路（電視接收機）輸入、輸出均采用部分接入本振源由外部引入4.7 二極管混頻器 （1）二極管平衡混頻器（由兩個

28、特性相同的二極管構(gòu)成）1Tr2Tr1Dovsvsvsv2iiiLR1i2Dovsv2isv1i1Dv2DvLRLRiviv原理性電路（疊加型）等效電路tttt000cos552cos332cos221)(S輸入信號電壓：tVvoomocos本振電壓：tVvssmscosu 電路分析ovsv2isv1i1Dv2DvLRLRiviv)(S1s01vvtRriLd)(S1s02vvtRriLdsLd21)(1vtSRriiitVtttRrissm000Ldcoscos552cos332cos2211正半周兩個二極管均導(dǎo)通負半周兩個二極管均截止ovsv2isv1i1Dv2DvLRLRivivtVttt

29、Rrissm000Ldcoscos552cos332cos2211 s、 o s、 (2n-1) o s。可見，平衡混頻器輸出的頻率成分有：由單個二極管構(gòu)成的混頻器的情況 s、 o 、 o s、(2n-1) o s、2n o將以上兩種情況以及和晶體管混頻器作比較。無n o分量（2）二極管環(huán)形混頻器（雙平衡混頻器）Tr1RLD4i1v0D2D3D1i2i4i3Tr2Tr3vs+vi+i4i2Tr2Tr1Tr3vs+D4D2v0+vi+RLRLvi+vs+D1D3i1i3Tr2Tr1v0+Tr3正半周正半周負半周負半周原理性電路（疊加型）i4i2Tr2Tr1Tr3vs+D4D2v0+vi+RLRL

30、vi+vs+D1D3i1i3Tr2Tr1v0+Tr3正半周正半周負半周負半周sLd31)(1vtSRriiis*Ld24)(1vtSRriii 2)(*TtStSs00Lds*Ldcos334cos41)()(1vttRrvtStSRriii tt00cos332cos221正半周正半周負半周負半周tVttRrissm00Ldcoscos334cos41二極管平衡混頻器的情況： s、 o s、 (2n-1) o s可見，二極管環(huán)形混頻器輸出的頻率成分有： o s、 (2n-1) o s由單個二極管構(gòu)成的混頻器情況： s、 o 、 o s、(2n-1) o s、2n o將以上三種情況以及和晶體管

31、混頻器作比較。四種混頻器中的頻率分量比較本振及諧波信號及諧波組合頻率晶體管混頻器0 20 30 40s 2s 3s 4s | p0 qs| (p=q=1,2,3, )單二極管混頻器0 20 40 60s | p0 s | (p=1,2,3, )二極管平衡混頻器Nones0 s 30 s 50 s 二極管環(huán)形混頻器NoneNoneAs above結(jié)論 說明：二極管混頻器中的頻率分量數(shù)目是在二極管下分析得到的。l 晶體管混頻器中的各種無用頻率分量數(shù)目最多，二極管環(huán)形混頻器的各種無用頻率分量數(shù)目比較少，其中二極管環(huán)形混頻器中的各種無用頻率分量數(shù)目最少。l 混頻后，可以得到所需的中頻頻率分量： i=

32、0 s（差頻）或 i= 0 +s（和頻） 4.8 模擬乘法器混頻電路 v0vivsMC1496v0vivsMC1596組合頻率少，混頻增益高，輸入頻率可高達200MHz補充：場效應(yīng)管混頻電路2)(1offGSGSDSSDVvIi0)(GSoffGSvV設(shè)柵源的直流偏置電壓為VGSQ ，得 vGS = VGSQ+vSv0 ， 代入上式得20)(2)(vvVVVIisGSQoffGSoffGSDSSDm02smimVVIVIgoffGSDSSc可得中頻電流幅值：場效應(yīng)管混頻器的變頻跨導(dǎo)vSv0vivSviv0m0sm2)(imVVVIIoffGSDSS輸出的iD頻率成分： o s、 o 、2 o

33、、 s 、2 s4.9 混頻器的干擾 干擾哨聲寄生通道干擾分類組合頻率干擾（混頻器特有)非線性失真混頻器的各種非線性干擾是很嚴重的問題，常把非線性產(chǎn)物的多少作為衡量混頻器質(zhì)量標準之一。交調(diào)失真互調(diào)失真包絡(luò)失真強信號阻塞 產(chǎn)生的原因：由混頻器的非線性所引起。 產(chǎn)生的原因： 由于混頻器的非線性特性，使得在其輸出電流中，除了有需要的中頻（ f0 fs ）外，還有一些組合頻率 pf0 qfs (p=q=1,2,3, ) 如果 p f0 q fs f i 則此中頻 f i 一定是偽中頻(或叫贗頻)。這樣的中頻經(jīng)檢波后必然產(chǎn)生干擾哨聲（interfere squealing）。（1）組合頻率干擾(comb

34、ined frequency interference)有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾說明： p f0 q fs f i 包括以下四種情況： p f0 q fs f i () p f0 q f s f i () p f0 q f s f i () p f0 q f s f i () 若?。?f i = f 0 f s （真正的中頻），則第、種情況可寫成：isfpqpf1該式便是可能產(chǎn)生干擾哨聲的輸入信號頻率表示式。u減小干擾哨聲的措施采用平方律器件 工作點設(shè)計應(yīng)接近平方律部分 電路采用平衡推挽的形式 采用相乘器實現(xiàn)混頻 將產(chǎn)生最強干擾哨聲的信號頻率移到接收頻段之外。如，中頻接收機，f i 規(guī)

35、定為 465 kHz。(中波：535 1605 kHz) 例題1：某超外差接收機中波段為 5311603kHz，f i = f 0 - f s =465kHz，問：在該波段內(nèi)哪些頻率能產(chǎn)生較大的干擾哨聲(設(shè)非線性特性為6次方項及其以下項)？解： f s= 5311603kHz f s/ f i =1.143.45據(jù)題意，p+q6當p=1, q=2 時， ，此值在1.143.45范圍內(nèi)。21pqp則 f s 2 f i=930kHz，即 2f s f 0 f i 。上式說明 f s 為930kHz 時，將產(chǎn)生組合頻率干擾。例題2：某電臺發(fā)射頻率 f s =931kHz，中頻頻率f i = f0

36、f s =465kHz，試判斷 p=1, q=2 時，能否產(chǎn)生組合頻率干擾。解： f s =931kHz ，f i = f0 f s =465kHz f 0 = f i + f s =1396kHz 當p=1, q=2 時， 2f s f0 =466kHz f i 由此可知會產(chǎn)生組合頻率干擾，而且要產(chǎn)生1kHz的干擾哨聲（通過檢波）。（2）組合副波道干擾(combined subchannel interference)混頻器輸入回路選擇性不好，外來強干擾信號進入了混頻器，然后與本振信號及其諧波進行混頻，而形成接近中頻頻率的干擾。產(chǎn)生條件：p f0 q fn f i 或 p f0 q fn f

37、 i fs =f0 f i , 上式又可寫為：infpfqf01外來干擾與本振的組合頻率干擾或infppfqf11s 產(chǎn)生的原因：重點討論以下兩種情況 p=0，q=1-中頻干擾 (intermedite frequence interference)此時， fn =f i 。該干擾信號直接在混頻器中放大輸出，產(chǎn)生干擾。產(chǎn)生機理：由混頻器非線性特性的一次方項產(chǎn)生。infpfqf01 p=1，q=2-鏡像頻率干擾 (image frequence interference)此時， fn = f s+2 f i 。f sf 0 fn f if i 產(chǎn)生機理：由混頻器非線性特性的二次方項產(chǎn)生。 f i

38、 取值大小的影響： f i 越小， fn 越接近 fs，則越易進入混頻器，而形成干擾。例題3：一部普通87108 MHz調(diào)頻收音機，當頻率指針調(diào)到106.2MHz附近時，在飛機場附近居然接收到了127.6MHz的機場地面氣象報告內(nèi)容。請解釋其原因。（已知收音機fi=10.7MHz） 答：產(chǎn)生了鏡頻干擾。 因為符合關(guān)系式：fn fs+2 fi 其中： fs =106.2MHz， fi =10.7MHz要消除副波道干擾，就必須加大寄生通道干擾信號與有用輸入信號之間的頻率間隔，以便混頻器前濾波器將副波道干擾信號濾除。不讓它們加到混頻器輸入端。中頻干擾是最強的寄生通道干擾，為消除它，與干擾哨聲一樣，中

39、頻應(yīng)選在接收頻段以外，且遠離接收頻段。 減小副波道干擾的措施鏡像頻率干擾是另一個副波道干擾，鑒于它與有用信號之間的頻率間隔為中頻的二倍，可以采用兩種措施來消除它：一是高中頻方案，二是二次混頻結(jié)構(gòu)。（3）交叉調(diào)制干擾(crossed modulation interference)交叉調(diào)制干擾的現(xiàn)象* 如果接收機對欲接收信號頻率調(diào)諧，則可清楚地收到干擾信號電臺的聲音。* 接收機對接收信號頻率失諧，則干擾電臺的聲音減弱。* 如果欲接收電臺的信號消失，則干擾電臺的聲音也消失。交叉調(diào)制干擾是由于變頻電路和高頻放大器的非線性輸出輸入特性產(chǎn)生的。特點與干擾信號頻率無關(guān)。產(chǎn)生的原因 數(shù)學(xué)分析* 從晶體管正向

40、轉(zhuǎn)移特性 icvBE 關(guān)系入手，將 ic 展開成泰勒冪級數(shù)，得： 32)(61)(21)()()(vVfvVfvVfVfvVfiBBBBBc 326121)(vgvgvgVfiBc* 設(shè)作用在輸入端（基極發(fā)射極間）的電壓有：信號電壓：ttmVvssmscos)cos1 (11干擾電壓：ttmVvnnmncos)cos1 (22則合成電壓：ttmVttmVvnnmssmcos)cos1 (cos)cos1 (2211* 將 v 代入 ic 式，得：32211222112211cos)cos1 (cos)cos1 (61cos)cos1 (cos)cos1 (21cos)cos1 (cos)cos

41、1 ()(ttmVttmVgttmVttmVgttmVttmVgVfinnmssmnnmssmnnmssmBc * 把信號基波電流取出，即得：ttmVVgtmgVgVisnmsmsmsmCcos)cos21cos(222111 注意信號電壓是：ttmVvssmscos)cos1 (11ttmVVgtmgVgVisnmsmsmsmCcos)cos21cos(222111 括號內(nèi)的項代表放大器或混頻器的輸出信號的包絡(luò)變化，其中第二項為有用信號的調(diào)制，第三項為干擾信號所轉(zhuǎn)移的調(diào)制。可見交叉調(diào)制是由晶體管特性中的三次或更高次非線性項產(chǎn)生的，它與 g成正比。 討論 減小交叉調(diào)制干擾的主要方法 提高高頻放

42、大器和變頻器輸入電路的選擇性，盡可能使干擾信號不進入變頻電路或高頻放大器。 限制高頻放大器輸入信號幅度，以使高頻放大器和變頻器基本工作于線性狀態(tài)。（交叉調(diào)制是由晶體管特性中的三次或更高次非線性項產(chǎn)生的）。(4)互相調(diào)制干擾(intermodulation interference)混頻器輸入回路選擇性不好，多個外來干擾信號進入了混頻器，彼此混頻，產(chǎn)生一系列組合頻率分量。如果某些分量的頻率接近信號頻率，則形成干擾。產(chǎn)生條件： mf1 nf2=f s 說明：m f1 n f2=f s 不存在，其它三種情況都存在。產(chǎn)生機理：由高放或混頻器的二次、三次和更高次非線性項所產(chǎn)生。其中：滿足2f1 - f2

43、 fs或2f2 - f1 fs的干擾最為嚴重，稱為三階互調(diào)干擾。 產(chǎn)生的原因：例題4：某混頻器的中頻為0.5MHz，在接收25MHz信號時，若同時有24.5MHz和24MHz的兩個干擾信號，問是否產(chǎn)生互調(diào)干擾。例題5：某地區(qū)有調(diào)頻廣播頻率： 87.6MHz、97.4MHz、103.9MHz、106.1MHz，若各種條件具備，可產(chǎn)生互調(diào)干擾，請列出三種影響航空甚高頻頻段的三階互調(diào)頻率組合。 答：2103.9-87.6=120.2MHz (二信號三階互調(diào))2106.1-97.4=114.8MHz(二信號三階互調(diào))103.9+97.4-87.6=113.7MHz(三信號三階互調(diào)) 答：正好滿足 2f

44、1 f2 (224.524)25MHz= fs 因而產(chǎn)生三階互調(diào)干擾。(5)阻塞現(xiàn)象(blocking phenomena)與相互混頻(mutual mixing) 阻塞的后果：破壞晶體管的工作狀態(tài)；輸出信噪比大大下降；可能使晶體管的PN結(jié)擊穿。晶體管無法正常工作 阻塞現(xiàn)象 產(chǎn)生的原因：接收機輸入回路選擇性不好，外來強干擾信號進入后，放大器或混頻器工作于嚴重的非線性區(qū)域，產(chǎn)生阻塞(堵死)現(xiàn)象。相互混頻fifsf0fn1fn2f本振噪聲本振噪聲產(chǎn)生原因：本振頻譜不純且外來干擾信號進入引起。這時，干擾信號 fn (較強)作為本振(偽本振)，而本振源中的邊帶噪聲(較弱)當作輸入信號 fs (偽信號)

45、，正好與原來的混頻位置顛倒，所以又稱為倒易混頻。應(yīng)要求本振頻譜盡量純凈。抑制干擾措施小結(jié)1提高混頻器前端電路的選擇性例如：對于中頻干擾，加中頻陷波器2合理選擇中頻頻率 將中頻選在接收頻段之外 采用高中頻方案，使鏡像干擾頻率遠離有用信號頻率 3合理選擇混頻器工作點將 Q 點設(shè)置在混頻器件特性的二次方區(qū)域，盡量減少三次方項或更高次項所引起的交叉調(diào)制干擾4. 盡量采用組合頻率分量少的混頻電路與器件模擬相乘器、二極管平衡混頻器、場效應(yīng)管混頻器等，具有輸出組合頻率分量數(shù)量少的特點思考題與習(xí)題5. 混頻器的輸入信號有 和 兩種。 4.變頻電路包含 和 兩部分電路。 6. 頻譜線性搬移電路的關(guān)鍵部件是 。A）相加器 B）乘法器 C）倍頻器 D）減法器 2. 超外差接收機中混頻的目的是（ ）。 1. 將信號 v= cost+ cost 加到 i = a0v +a2v2 的非線性器件上，則其電流中包含的頻譜分量有（ ）。 3. 調(diào)頻信號經(jīng)混頻后其信號的調(diào)制規(guī)律不變，且輸出仍為已調(diào)波。（ ）思考題與習(xí)