三極管混頻器與集成混頻電路

1、三極管混頻器與集成混頻電路第1頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日3-1 模擬相乘器一、基本特性二、 模擬相乘器的實現(xiàn)方法三、二極管相乘器四、晶體管相乘器 五 、 集成模擬相乘器六. 電流模相乘器七. 集成MOS模擬相乘器 八. 相乘器的應(yīng)用 第2頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日第三章 模擬相乘器和混頻器3-1 模擬相乘器一、基本特性1. 基本概念含義：可實現(xiàn)任意兩個互不相關(guān)模擬信號相乘的 三端口的非線性電子器件 （AM為相乘增益，亦稱比例系數(shù)或標尺因子）第3頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日工作區(qū)域 單象限二象限四象限2

2、傳輸特性直流和低頻傳輸特性零輸入響應(yīng) ： 零輸入狀態(tài)時，是非零的輸出，存在誤差電壓（輸出失調(diào)電壓和饋通誤差電壓） 直流傳輸特性 （一個輸入為直流時）平方律特性（ ）非線性傳輸特性 正弦信號傳輸特性第4頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日3誤差分析 誤差引起誤差原因：二模擬相乘器的實現(xiàn)方法二極管相乘器技術(shù)四分之一相乘技術(shù)三角波相乘技術(shù)對數(shù)反對數(shù)相乘技術(shù)脈沖高度寬度的相乘技術(shù)可變跨導(dǎo)的相乘技術(shù)（晶體管）第5頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日三、二極管相乘器(二極管平衡相乘器、二極管雙平衡（環(huán)形）相乘器)1分析方法開關(guān)函數(shù)分析余弦型 若i 單向正相余弦開

3、關(guān)函數(shù) ii 單向反相余弦開關(guān)函數(shù)iii 雙向開關(guān)函數(shù)第6頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日正弦型 若 i 單向正相正弦開關(guān)函數(shù) ii 單向反相正弦開關(guān)函數(shù) iii 雙向開關(guān)函數(shù) 大信號控制二極管開關(guān)工作，二極管等效導(dǎo)通電阻RD與開關(guān)K串聯(lián)。2. 二極管平衡相乘器電路及特點第7頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日電路 特點：v1(t)=V1msin1tv2(t)=V2msin2ta) D1、D2為近似理想開關(guān)二極管 b) v1同相加到D1、D2上， v2反相加到D1、D2上c) Tr1二次與Tr2一次繞組具有中心抽頭，并上下嚴格對稱 d) 電流差分

4、輸出 i=iD1- iD2 第8頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日工作原理 V1mV2m V1mVD(on) v1控制 D1 、 D2開關(guān)工作 若v10，D1、D2導(dǎo)通 ；若v10，D1、D2截止 根據(jù)等效電路，可以列出回路方程求得第9頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 實現(xiàn)相乘條件 應(yīng)在RL兩端并上LC帶通濾波器 (滿足中心頻率諧振在 ) 3. 二極管雙平衡相乘器（環(huán)形相乘器）電路及特點 在負載上選出輸出電壓第10頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 電路： 特點： i D1-D4理想開關(guān)二極管 ii Tr1次級Tr2初級

5、具有中心抽頭，上下嚴格對稱 iii v1同相，v2反相加到D1、D2或D3、D4上 iv 差分輸出第11頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日工作原理實現(xiàn)相乘條件： 在RL兩端并上LC帶通濾波器（滿足中心頻率諧振在 ）第12頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日4. 二極管環(huán)形組件相乘器：二極管環(huán)形相乘器與平衡相乘器相比不僅頻譜更純凈，而且相乘效率提高一倍，得到了廣泛應(yīng)用，所以把環(huán)形電路接成環(huán)形電路組件。 電路：工作原理由同學自己完成。第13頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日四. 晶體管相乘器 1 差分特性分析法 電路：第14頁，

6、共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日差分特性 ，對 近似方法 若V1m26mv， 若26mvV1m260mv 若V1m260mv，雙曲正切函數(shù)表示第15頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日欲實現(xiàn)理想相乘時存在的問題: a) 相乘增益與溫度T成反比（即AM ）不穩(wěn)定 b) 動態(tài)范圍受V1m26mv的限制2單差分對管相乘器 電路 工作原理 分別在V1m26mv、26mvV1m260mv時，對 進 行頻譜分析討論,通過LC 帶通濾波器（中心頻率諧振在 ,3dB 帶寬為2 ），即可實現(xiàn) 不失真的相乘。第16頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期

7、日i V1m26mv, V2m26mv 無意義，說明 必須為小信號a) 交叉地加到T1、 T2與T3、T4基極上特點b) i=iI - iII差分輸出 工作原理分類討論電路： 3雙差分對管相乘器 電路及其特點第17頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日ii V1m26mv, V2m26mv 實現(xiàn)近似理想相乘iii 26mvV1m260mv , V2m26mv iv V1m260mv , V2m26mv 輸出i經(jīng)LC帶通濾波器，（中心頻率諧振在 , ）可實現(xiàn) 不失真的相乘欲實現(xiàn)理想相乘時存在的問題：i 實現(xiàn)理想相乘,要受到V1m26mv，V2m26mv的限制ii 相乘增益與溫

8、度T2成反比（即AM ） 4三差分對管相乘器（線性化四象限可變跨導(dǎo)相乘 器或模擬相乘器）目的：擴大 的動態(tài)范圍，實現(xiàn)任意兩個模擬信號的相乘。 框圖：第18頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日電路第19頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 流控吉爾伯特電路電路（由T1T4、T7、T8構(gòu)成）v= vBE7 vBE8實現(xiàn)：第20頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 電壓電流線性變換器電路實現(xiàn)： ；實現(xiàn)方法：分別在差分對管T5 、T6 與T9、 T10的兩個射極間分別加一個大電阻RE2與RE1,實現(xiàn)深度負反饋；優(yōu)點：a) 實現(xiàn)任意兩個模

9、擬信號的相乘b) AM=4Rc /IoRE1RE2與T無關(guān)，所以電路特性穩(wěn)定 實現(xiàn)相乘條件： ，結(jié)論： ； 3)第21頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日五 、 集成模擬相乘器1 .MC1596 相乘器(或XFC1596)第22頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日2. MC1595(或BG314）相乘器 電路與工作原理 內(nèi)部電路第23頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 外部連接圖 工程估算 已知：估算：（設(shè)計）a) RE1,RE2:估算時， 工作原理 ： v0=AMv1v2，其中第24頁，共67頁，2022年，5月20日，17

10、點26分，星期日d) R3,R13:e) Rk:c) 估算+VCC,-VEE：從V2max,-V2max分別往上，往下估算，遇C-B結(jié)，用2.5V估算，遇B-E結(jié)用0.7V估算，加適當?shù)脑Ａ考纯伞?b) Rc:第25頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 調(diào)零技術(shù)（調(diào)整）電路：(F007為單位倒相增益放大器)調(diào)整：在輸出端接示波器（或計數(shù)器）i) 調(diào)零：零輸入狀態(tài)下，使 。反復(fù)調(diào) ） ii) 調(diào)AM : 調(diào)RW4 (調(diào)I0 )調(diào)整目的：克服輸入輸出失調(diào)電壓引起相乘誤差。第26頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日六. 電流模相乘器1. 概念用電流的分量處

11、理模擬信號的電路稱為電流模電路在電流模電路中晶體管有用的頻率高達fT，具有頻帶寬速度高 的傳輸特性2. 基本電流模電路形式跨導(dǎo)線性電路（TL電路） 電流鏡（CM）與電流傳輸特器（CC）第27頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日開關(guān)電流電路（SCC）砷化鎵高速電路（ ）模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路（AN）支撐電路（SC）3. 特點 頻帶寬速度高電路是低阻節(jié)點，極點頻率很高，接近特征頻率fT 電路中電流變化影響電壓分量VBE(on) 變化很??；向Cbe充電電流很大，時間短。 動態(tài)范圍很大電源電壓很低（0.71.5V）輸出電流達到（10-9 10-3mA級）第28頁，共67頁，2022年，

12、5月20日，17點26分，星期日輸出最大電流受晶體管限制 易于實現(xiàn)電流的存貯與轉(zhuǎn)移動態(tài)電流鏡可作為偏置電流，或作為電流1：1拷貝倍乘或整除。廣泛用在開關(guān)電流濾波器、開關(guān)電流A/D、D/A轉(zhuǎn)換器中 便于實現(xiàn)電流與電壓的線性與非 線性轉(zhuǎn)換作為電壓電流線性轉(zhuǎn)換器第29頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 非線性失真很小電流傳輸特性影響器件的伏安特性易于處理高精度的模擬信號處理4. TL回路原理 TL基本概念說明gm是集電極電流線性比例系數(shù)，提出跨導(dǎo)線性TL概念。 得到第30頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 TL原理：條件：la) 有偶數(shù)個PN結(jié) b)

13、順時針排列（CW）個數(shù)=逆時針 排列（CCW）個數(shù) 結(jié)論：順時針發(fā)射結(jié)電流密度之積等于逆時針發(fā)射結(jié)電流 密度之積l若(J)Cw= (J)CCW第31頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日5. TL回路構(gòu)成電流放大器TL跨導(dǎo)線性回路原理：在一個包含偶數(shù)個正偏發(fā)射結(jié)的閉合回路中，若順時針方向排列的PN結(jié)的數(shù)目等于逆時針方向排列的PN結(jié)的數(shù)目，則順時針方向發(fā)射極電流密度之積等于逆時針方向發(fā)射極電流密度之積舉例一可變增益電流放大器（與無關(guān)）第32頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日已知：輸入管的偏置電流I,差分管偏置電流IE,x 為信號電流與偏置電流比值，稱為

14、調(diào)制度，滿足 -1 x VSm采用二極管平衡相乘器實現(xiàn)混頻其中vL為本振信號 vL=VLmcosLt 為大信號令vs=Vsm(1+Macost)cosct 為小信號（屬小信號混頻本地振蕩vL為大信號，輸入高頻信 號vS為小信號）第53頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日i經(jīng)LC中頻帶通濾波器,中心頻率諧振在I = L- c上,實現(xiàn)混頻：(RLRD)二極管環(huán)形混頻器電路:其中vL為本振信號 vL=VLmcosLt令vs=Vsm(1+Macost)cosctVLmVSmBW3dB=2第54頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日由兩個二極管平衡混頻器構(gòu)成 a

15、) vL控制D1、D2開關(guān)函數(shù)為K1(Lt)，iI= b) vL控制D3、D4的開關(guān)函數(shù)為K1(Lt-)，iII=i經(jīng)LC中頻帶通濾波器，中心頻率諧振在 上, BW3dB=2環(huán)形組件混頻器(由于環(huán)形的比平衡的更優(yōu)越，所以環(huán)形得到廣泛的應(yīng)用，將它制作為組件) 第55頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日電路vL0時,D2D3導(dǎo)通，D1D4截止vL0時, D1D4導(dǎo)通，D2D3截止LC為中頻帶通濾波器，中心頻率諧振在BW3dB=2上，第56頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日此電路作為作業(yè)題，求： i表示式并分析所含頻譜分量 求輸出電壓vI(t)的表達式2

16、. 二極管混頻性能指標 L稱為變頻損耗L值越小，混頻性能越好3. 二極管混頻的優(yōu)點電路簡單，噪聲低，組合頻率分量少，工作頻率高，頻帶寬用肖特基二極管，工作頻率可擴展到微波段 環(huán)形組件中工作頻率達到幾十kHz 幾GHz lll第57頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日1. 框圖： 2. 舉例： 電路 l四、集成混頻器第58頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日無需在混頻2、3端接負反饋電阻混頻增益高，輸入頻率可高達200MHz 300MHz 3. 優(yōu)點： 組合頻率少，寄生干擾小對vL沒有要求具有高的混頻增益 vs與vL之間隔離好，相互牽制小 VIm與VS

17、m有很大的線性動態(tài)范圍五、 組合頻率干擾與非線性失真1. 組合頻率干擾： 若令說明第59頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日當混頻器輸入端加入v=vL+vS時, 由于混頻器件伏安特性 i = a0+a1v + a2v2 + a3v3 + 的非線性，在i中出現(xiàn) fp,q=|pfL qfC|的組合頻率分量。其中只有p =q=1對應(yīng)的 fI = ( fL - fC ) 的分量為有用中頻頻率，其余的均是無用分量,有的甚至有害，將有害的分量造成的干擾統(tǒng)稱為組合頻率干擾。 分類（干擾哨聲、寄生通道干擾）i 干擾哨聲現(xiàn)象：產(chǎn)生音頻哨叫原因：由fS通過寄生通道形成干擾哨聲產(chǎn)生條件： |p

18、fL qfS|= fI+F 定義: 第60頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日 特點：la) 產(chǎn)生干擾哨聲頻率fS有無窮多個不連續(xù)的點b) 若頻段確定了，落在頻段內(nèi)仍是有限個c) 最強的兩個干擾哨聲：p =0, q=1時, fS= fI；p =1, q=1時, fS= 2fI第61頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日ii 寄生通道干擾 現(xiàn)象：接收某臺信號時，同時收到干擾臺的信息a) 能產(chǎn)生寄生通道干擾的仍然為無限多個不連續(xù)點稱為中頻干擾 稱為鏡像頻率干擾d)若fM確定了，在頻段內(nèi)可以確定收到干擾臺的信息 fS的頻率點特點：形成條件：原因：干擾頻率fM通過寄生通道形成c) 最強的兩個寄生通道干擾b) 若頻段確定了，落在其中干擾點仍為有限個p=0,q=1時，fM= fIp=0,q=1時，fM= fI+ fL第62頁，共67頁，2022年，5月20日，17點26分，星期日*2. 非線性失真(包絡(luò)失真、強信號阻塞失真、交調(diào)失真、互 調(diào)失真倒易失真）3. 減少干擾和非線性失真的措施 壓低前級輸入信號強度 中頻頻率應(yīng)選擇在頻段外低中頻 高中頻 二次變頻 減少組合頻率分量 采用平方律器件 工作點設(shè)計應(yīng)接近平方律部分