第5章頻率變換與混頻電路5.1概述在現(xiàn)代通信系統(tǒng)和各種電子設(shè)備中，根據(jù)信號傳輸和處理的需要，普遍采用振幅調(diào)制與解調(diào)、頻率調(diào)制與解調(diào)、混頻、倍頻等電路，這些電路有一個共同特征，就是在輸出信號中，產(chǎn)生了原輸入信號所沒有的新的頻率分量。這些電路都屬于頻率變換電路。頻率變換電路的種類很多，根據(jù)電路的不同特點(diǎn)可分為線性頻譜變換電路和非線性頻譜變換電路。線性頻譜變換的特點(diǎn)是在頻率變換過程中，頻譜結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，輸出信號頻譜只是輸入信號頻譜沿頻率軸上進(jìn)行不失真的簡單搬移，調(diào)幅、變頻和檢波等均屬于這類電路。非線性頻譜變換的特點(diǎn)是輸出信號頻譜和輸入信號頻譜不再是簡單的線性關(guān)系，而是較復(fù)雜的非線性關(guān)系，調(diào)頻、調(diào)相、鑒頻和鑒相等電路都屬于這類電路。頻率變換功能由非線性元器件產(chǎn)生在高頻電子線路中常用非線性元器件有非線性電阻和非線性電容。各種晶體二極管、三極管及場效應(yīng)管都是非線性電阻器件，它們與線性電阻的區(qū)別在于其伏安特性是非線性的。變?nèi)荻O管是一種常用非線性電容器件，其C-u曲線是非線性的?，F(xiàn)在廣泛使用的頻率變換非線性器件是集成模擬乘法器，它是由集成電路內(nèi)部的差分對晶體管構(gòu)成的?；祛l是一種頻率變換過程，是將信號從某一頻率（或頻段）變換為另一頻率（或頻段）的頻譜線性搬移過程，顯然，混頻器也是一種非線性電路。本章首先介紹非線性元器件的基本特性及其分析方法，然后介紹廣泛應(yīng)用于超外差接收機(jī)、頻率合成器等電路中的混頻器的工作原理圖5-1非線性電阻的伏安特性5.3模擬乘法器前面介紹了二極管、三極管等非線性器件的特性，它們都可用于頻率變換。隨著集成電路的發(fā)展，模擬集成乘法器已成為一種普遍應(yīng)用的非線性模擬電路，模擬集成乘法器用于頻率變換有比分立器件更好的特性，廣泛地應(yīng)用于無線電廣播、電視、通信設(shè)備的有關(guān)電路。本節(jié)簡要介紹模擬乘法器的電路組成、工作原理和分析方法。圖5-8模擬乘法器的電路符號

圖5-9模擬乘法器的工作象限5.3.2集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)模擬相乘的方法很多，有對數(shù)一反對數(shù)相乘法、四分之二平方相乘法、三角波平均相乘法、時間分割相乘法、霍爾效應(yīng)相乘法、環(huán)形二極管相乘法和變跨導(dǎo)相乘法等。其中，變跨導(dǎo)相乘法采用差分電路，它的交流饋通效應(yīng)小，溫度穩(wěn)定性好，運(yùn)算精度高，速度快，成本低，便于集成化，因而得到廣泛應(yīng)用。目前單片模擬集成乘法器大多采用變跨導(dǎo)相乘器。1.變跨導(dǎo)模擬乘法器的組成和工作原理變跨導(dǎo)模擬乘法器的基本電路是帶恒流源的差分放大電路，圖5-10是帶恒流源的差分放大電路原理圖。圖5-10帶恒流源的差分放大電路圖5-11變跨導(dǎo)乘法器的基本電路圖5-12雙平衡乘法器原理圖2.常用集成模擬乘法器雙平衡模擬乘法器能實(shí)現(xiàn)兩個輸入信號的四象限相乘，而且頻率特性較好，所以廣泛應(yīng)用于集成乘法器中，如國內(nèi)產(chǎn)品XFC1596、CF1496/1596（與國外產(chǎn)品MC1496/1596性能相同）。圖5-13是XFC1596集成乘法器的內(nèi)部電路圖。由圖中可見，XFC1596集成模擬乘法器內(nèi)部是由6個雙極型晶體管分別組成3個差分電路，兩個輸入信號都是差動輸入的雙平衡模擬乘法器。為使輸入信號的線性范圍擴(kuò)大，還有改進(jìn)型的XFC1596集成模擬乘法器，其內(nèi)部增加了線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，稱為線性化雙平衡模擬乘法器。國產(chǎn)BG314、CF1595、FZ4等是通用性很強(qiáng)的模擬乘法器。它們的內(nèi)部電路由線性化雙平衡模擬乘法器組成，其工作原理與國外產(chǎn)品MCl495／1595、LMl495／1595基本相同。模擬乘法器不僅可應(yīng)用于模擬運(yùn)算電路中，而且廣泛應(yīng)用于無線電通信領(lǐng)域，通信系統(tǒng)中的模擬信號處理大都可歸結(jié)為兩個信號相乘或包含相乘的過程，因而可以使用通用模擬集成乘法器來完成，例如調(diào)制、解調(diào)、變頻和倍頻等非線性功能及實(shí)現(xiàn)AGC控制和壓控振蕩。采用模擬乘法器來實(shí)現(xiàn)這些功能，電路簡單，性能優(yōu)越而且穩(wěn)定，調(diào)整方便，利于設(shè)備的小型化。圖5-13XFC-1596內(nèi)部電路圖5.4混頻電路混頻就是將高頻已調(diào)波信號變換成另外一個頻率，而保持調(diào)制規(guī)律不變，具有這種功能的電路稱混頻電路。例如在超外差收音機(jī)中，把接收到的外來信號變換為465kHz的固定中頻（低中頻），這樣能提高收音機(jī)的靈敏度和鄰頻道選擇性。又如在工作頻率為2～30MHz的單邊帶通信接收機(jī)中，卻把接收到的外來信號變?yōu)?0MHz的高中頻，這樣可以大大減少混頻器產(chǎn)生的組合頻率干擾和副波道干擾，提高接收機(jī)抗干擾能力。圖5-14為混頻器（mixer）的組成電路。它是由非線性器件和帶通濾波器組成。如果混頻器和本地振蕩器共用一個器件，即非線性器件既產(chǎn)生本振信號又實(shí)現(xiàn)頻率變換，則稱之為變頻器（convertor）。實(shí)際應(yīng)用中常將“混頻”與“變頻”兩詞混用而不加以區(qū)別。圖5-14混頻電路原理圖

圖5-15調(diào)幅波混頻前后波形和頻譜的變化2.失真與干擾如果混頻器輸出中頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)和輸入信號的頻譜結(jié)構(gòu)不同，則表示產(chǎn)生了失真。此外，在混頻過程中，還會產(chǎn)生大量不需要的組合頻率成分，形成干擾，影響接收機(jī)的正常工作。所以混頻器不應(yīng)工作在非線性過于嚴(yán)重的區(qū)域，以既能完成頻率變換，又能達(dá)到減少各種組合頻率干擾為目的。另外，混頻器的主要指標(biāo)還有選擇性、噪聲系數(shù)等，這里不再一一說明。5.4.2混頻電路混頻電路種類很多，在這里只介紹常用的集成模擬乘法器混頻器、二極管混頻器和晶體管混頻器。1.集成模擬乘法器混頻器混頻器是頻譜搬移電路，可用集成模擬乘法器來實(shí)現(xiàn)。典型的單片集成模擬乘法器有Motorola公司生產(chǎn)的MC1596、MC1595。圖5-16是由MC1596組成的混頻電路。已調(diào)波信號由X通道（1、4腳）輸入，本振信號由Y通道（8、10腳）輸入，中頻信號（9MHz）由6腳單端輸出。輸出端型帶通濾波器調(diào)諧在9MHz，回路帶寬450kHz。本振注入電平為100mV，信號電壓在5～7.5mV之間，混頻增益達(dá)13dB。調(diào)50kΩ電位器使1、2腳直流電位差為零。圖5-16MC1596組成的混頻電路3.晶體管混頻器晶體管混頻器是利用晶體管的非線性實(shí)現(xiàn)變頻的。（1）電路形式根據(jù)管子的組態(tài)和本振注入方式不同，晶體管混頻器有圖5-19所示的4種基本形式。其中，圖5-19a、b為共發(fā)射極混頻電路。信號電壓都是從基極輸入，區(qū)別是圖5-19a本振電壓從基極注入，圖5-19b本振電壓由發(fā)射極注入。圖5-19c、d為共基混頻電路。信號電壓都是由發(fā)射極輸入，區(qū)別是圖5-19c本振電壓由發(fā)射極注入，圖5-19d本振電壓由基極注入。圖5-19a、b電路應(yīng)用較廣，而圖5-19c、d一般在工作頻率較高的混頻電路中采用。上述4種形式的混頻電路各有特點(diǎn)，但它們的混頻原理是一樣的，下面以圖5-19a電路為例介紹它們的工作原理。圖5-19晶體管混頻器的基本形式圖5-20晶體管混頻器的原理圖（3）實(shí)際電路舉例圖5-21a為收音機(jī)的變頻電路（圖中電阻R1上面的星號符號表示R1的阻值可在一定范圍內(nèi)調(diào)整）。圖中天線線圈、、組成輸入回路，調(diào)諧在信號載頻上，選出所需的電臺信號，經(jīng)變壓器輸入到晶體管的基極。線圈、和電容、、組成振蕩回路，調(diào)諧在本振頻率上。本振電壓經(jīng)注入到晶體管的發(fā)射極。為中頻變壓器。和調(diào)諧在中頻頻率上，它作為晶體管的負(fù)載選出中頻信號，并經(jīng)輸出。對于本振頻率而言，、可看成短路。于是可畫出變頻器中的本振交流等效電路如圖5-21b所示。圖5-21收音機(jī)的變頻電路5.4.3混頻干擾為了實(shí)現(xiàn)混頻功能，混頻器件必須工作在非線性狀態(tài)?；祛l器輸入除了有用信號電壓和本振電壓外，還有從天線進(jìn)來的各種干擾（inteference）信號。它們兩兩之間都有可能產(chǎn)生組合頻率，這些組合頻率如果等于或接近中頻，將與有用信號一起通過中頻放大器，經(jīng)解調(diào)后在輸出端形成干擾，影響有用信號正常接收。下面對幾種常見干擾進(jìn)行討論。上式表明，若p和q取不同的正整數(shù)，則可能產(chǎn)生干擾嘯叫聲的信號頻率會有無限多個，但一部接收機(jī)的工作頻率范圍有限，所以能產(chǎn)生干擾嘯叫聲的組合頻率并不多。由（5-35）式可以看出，抑制干擾嘯叫聲的方法是合理地選擇中頻頻率，將產(chǎn)生最強(qiáng)的干擾嘯叫聲的頻率移到接收頻段之外。例如當(dāng)p=0、q=1，即時的干擾嘯聲最強(qiáng)，為避免最強(qiáng)的干擾嘯叫聲，應(yīng)將接收機(jī)的中頻選在接收頻段之外。2.副波道干擾（寄生通道干擾）如果混頻之前，輸入回路和高頻放大器的選擇性不好，干擾信號也會進(jìn)入混頻器。這些干擾信號與本振信號同樣也會形成接近中頻的組合頻率干擾，這種干擾稱為副波道干擾或寄生通道干擾。設(shè)外來干擾信號頻率為，則產(chǎn)生副波道干擾應(yīng)滿足下列關(guān)系式：對中頻干擾，混頻電路實(shí)際上起到中頻干擾的放大器的作用，因而使中頻干擾比有用信號有更強(qiáng)的傳輸能力。鏡像干擾具有與信號相同的變換能力，一旦這兩種干擾進(jìn)入混頻器，就無法抑制掉。因此，減小這兩種干擾的有效方法是提高混頻電路前級的選擇性。3.交叉調(diào)制干擾（交調(diào)干擾）

交叉調(diào)制干擾是由器件特性的冪級數(shù)展開式中三次或更高次項(xiàng)產(chǎn)生。其現(xiàn)象是：當(dāng)接收機(jī)對有用信號調(diào)諧時，在聽到有用信號的同時，還可聽到干擾電臺的聲音。當(dāng)接收機(jī)對有用信號失諧時，干擾臺也隨之消失。好像干擾信號調(diào)制在有用信號載波的振幅上，故稱為交叉調(diào)制干擾。交叉調(diào)制干擾的程度隨干擾信號振幅的增大而急劇增大，而與有用信號振幅、干擾信號頻率無關(guān)。減小交叉調(diào)制干擾的方法是提高混頻前端電路的選擇性、適當(dāng)選擇混頻器件（如集成模擬相乘器、場效應(yīng)晶體管和平衡混頻器）等。本章小結(jié)1.二極管、晶體管及場效晶體管的伏安特性均是非線性的，所以可將它們視為非線性電阻元器件。非線性元器件具有頻率變換作用，可在輸出端產(chǎn)生輸入信號所不具有的新的頻率分量。2.非線性元器件的特性分析是建立在函數(shù)逼近的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況采用合理的近似分析法。一般可采用指數(shù)函數(shù)、冪級數(shù)或折線函數(shù)來近似。當(dāng)輸入信號較小時，采用前兩種函數(shù)分析比較準(zhǔn)確；當(dāng)輸入信號較大時，采用折線分析法比較方便。當(dāng)有兩個信號同時輸入時，其中一個信號遠(yuǎn)大于另一信號，適用線性時變分析法。3.非線性元器件輸入單一頻率交流信號時，輸出是輸入信號的各次諧波；當(dāng)輸入是兩個不同頻率的交流信號疊加時，輸出是兩信號的各次諧波的組合分量。實(shí)際頻率變換電路要求的頻率分量只是組合頻率中的極少數(shù)，為減少無用組合頻率分量的干擾，需要采取抑制干擾措施。4.集成模擬乘法器是普遍使用的非線性模擬電路，其內(nèi)部是由晶體管差分對組成的變跨導(dǎo)乘法器電路。集成模擬乘法器用于頻率變換有比分立器件更好的特性，集成模擬