徐光辉高频课程设计晶体管混频器

2021年2月13日发(作者：美容去痣)



通信电子线路课程设计说明书


















三极管混频器






















学




院：电气与信息工程学院


学生姓名：



王凯









学




号：









指导教师：



张松华











专




业：



通信工程









班




级：



1103
班











完成时间：



2013.12.18











摘


要






混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广 泛，在调制系统中，输入
的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。
在解调过程中，< br>接收的已调
高频信号也要经过频率的转换，
变成对应的中频信号。
特别是在超外 差式接收机
中，混频器应用较为广泛，如
AM
广播接收机将已调幅信号
53 5KHZ-
一
1605KHZ
要变成为
465KHZ
中频信号，电视 接收机将已调
48
．
5M
一
870M
的图象信号要变成
38MHZ
的中频图象信号。
移动通信中一次中频和二次中频等。
在发 射机中，
为
了提高发射频率的稳定度，
采用多级式发射机。
用一个频率较低石 英晶体振荡器
做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、
乘 、
除运算变换成射频，
所以必须使用混频电路，
又如电视差转机收发频道的转
换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频
电路是应用电子技术和无 线电专业必须掌握的关键电路。

本次课程设计采用三级管混频器具有电路简单，变频增益高的 特点，采用
9014
三极管，
接受
LC
高频信号和本振信号对两信号 进行取差频，
使用滑动变阻
器改变静态工作点，
使其工作在非线性工作区域，
使用中周进行选频。
由于晶体
管的非线性特性，
两个信号混合后会产生
fL
+f
C
、
f
L
－
f
C
频率 的信号，
然后通过中
频滤波网络，得出所需要的中频信号。


关键词：

混频器

三极管

选频


















1






















Abstract


Kinds of information is very important to human life, so people are
always
looking
for
fast
way
to
communicate
over
distance,
to
transfer
or
to exchange information. Modern long distance communication technology
was invented in mid of 18
th
century thanks to the invention of radio
technology. Since then, this technology was well developed and many new
methods came out. From Morse code to satellite, modern communication is
playing more and more important role. As a key part of radio technology
–
mixing, e.g. transistor mixer, diode mixer and FET mixer, etc. are
broadly used in different system
，
to shift frequency.


The curriculum design using three tube mixer has a simple circuit,
high
frequency
gain
characteristics
,
uses
9014
transistors,
high-frequency
signals
and
the
acceptance
of
LC
oscillator
signal
for
two
to take the difference frequency signal , using a sliding rheostat to
change
the
quiescent
operating
point
,
to
work
in
the
nonlinear
operating
region , the use of frequency- selective weeks . Since the nonlinear
characteristic
of
the
transistor
,
the
mixing
of
two
signals
produces
fL
+ fC, the frequency
signal fL-fC , the
frequency filter and
then through
the network , the required intermediate frequency signal obtained .


Key word:
mixer
;
Transistor
;
frequency
;















2

目

录


摘


要
.................................................. .................................................. ..........................................
1

Abstract
....................... .................................................. .................................................. ..................
2

一



设计要求及指标

.
......................... .................................................. .........................................
4

1.1

设计目标

.
..... .................................................. .................................................. ................
4

1.2

设计要求和技术指标

.
....................... .................................................. ............................
4

1.3

混频电路的基本原理

.
.................. .................................................. .................................
4

二



三极管混频器的仿真分析

.
. .................................................. .................................................
5

2.1
仿真分析

.
.......... .................................................. .................................................. .............
5

2.1.1

混频电路分析

.
.......................... .................................................. ..........................
5

2.1.2

总体方案介绍

.
..................... .................................................. ...............................
6

2.1.3

工作原理说明

.
........... .................................................. .........................................
7

2.2
仿真结果

.
.......... .................................................. .................................................. ..
11
三

仿真结果分析、干扰及解决办法、设计总结
.
........................................... ...........................
1
2
3.1
仿真结果分析

.
.......................... .................................................. .....................................
1
2
3.2
干扰及解决办法

.
................. .................................................. ..........................................
1
2
3.3
设计总结

.
......... .................................................. .................................................. ............
1
2
参考文献
.............. .................................................. .................................................. .......................
1
3
致

谢
........................................ .................................................. .................................................. ..
1
4
附录一：
........................ .................................................. .................................................. .............
1
5
三极管混频器仿真电路：

.
.............................................. .................................................. ....
1
5
PCB
图

............. .................................................. .................................................. ...................
1
6
实物图
........ .................................................. .................................................. .........................
1
6
元器件清单

.
......................................... .................................................. .................................
1
7



















3
一



设计要求及指标

1.1
设计目标



设计一个三极管混频器。

1.2
设计要求和技术指标



设计一个三极 管混频器，要求中心频率为
10MHz,
本振频率为
16.455MHz
，< br>混频输出为
6.465MHz
的正弦波。

1.3
混频电路的基本原理



混频电路是一种频率变换电路，是时 变参量线性电路的一种典型应用。如一
个振幅较大的振荡电压
（使器件跨导随此频率的电压作周 期变化）
与幅度较小的
外来信号同时加到作为时变参量线性电路的器件上，
则输出端可 取得此二性号的
差频或和频，
完成变频作用。
他的功能是将已调波好的载波频率变换成 固定的中
频载频率。
而保持其调制规律不变，
也就是说它是一个线性频率谱搬电路，< br>对于
调幅波、
调频波或调相波通过变频电路后仍然是调幅波，
调频波或调相波。
只是
其载波频率变化了，
其调制规律是不变的。
常用的有模拟相乘混频器、< br>二极管平
衡混频器、环型混频器、三极管混频器等。其中三极管混频器最为常用。


正弦波

振荡器

模拟

乘法器

选频、

放大电路

高频

信号源



图
1.3
混频原理框图







4
二



三极管混频器的仿真分析

2.1
仿真分析

2.1.1

混频电路分析

对于混频电路的分析，重点应掌握，一是混频电路的基本组 成模型及主要
技术特点，
二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法，
三是应用电 路分析。

混频电路的基本组成模型及主要技术特点：

混频，工程上也称变 频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过
程，
实质上也是频谱线性搬移过程，
完成这种功能的电路就称为混频电路或变频
电路。

混频电路的组成模型及频谱分析：


图
a
是混频电路的组 成模型，
可以看出是由三部分基本单元电路组成。
分别
是相乘电路、
本级振荡 电路和带通滤波器
(
也称选频网络
)
。
当为接收机混频电路
时，其中
U
s
(t)
是已调高频信号。
U
l
(t)
是等幅的余弦型信号，而输出则是
U
i
(t)
为
中频信号。

混频电路的基本原理：


^

图
2< br>中，
U
s
(t)
为输入信号，
U
c
(t)< br>为本振信号。
U
i
(t)
输出信号。

分析：当U
s
(t)
?
U
sm
cos
?
st< br>
………………………………
2.1.1.1

则
U
p
(t)
?
U
s
(t)U
c
(t)
=
U

sm

cos
?
st
U
cm

cos
?
ct

=
Am

cos
?
st
cos
?
ct……………………………………
2.1.1.2


5
其中：
Am
?
U
sm
U
cm

对上式进行三角函数的变换则有

U
p
?
t
1
?
?
Am

cos
?
st
cos
?
c
t
：
1
Am

[cos(
?
c
?
?
s)t
?c
os
(
?
c
-
?
s
)t]
……
2.1.1.3
2
从上式可推出，
U
p
(t)
含有两个频率分量和为
(
ψ
c
+
ψ
S
)
，差为
(
ψ
C
-
ψ
S
)
。若选频
网络是理想

上边带滤波器则输出为

U
i
(t)
?
1
Amcos[
?
c
?
?
s

]t

．…………………………………
2.1.1.4
2
若选频网络是理想下边带滤波器则输出：

U
i
(t)< br>?
1
Amcos[
?
c
-
?
s
]t
．

……………

…………

………

…
2.1.1.5
2
以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图：




图
2.1.1
调幅波变频波

2.1.2

总体方案介绍

高频电路中的混频器利用电路中的非线性，
可以对两个输入信 号进行频率加
或减，产生和频信号或差频信号。本实验采用晶体三极管作混频电路
,
产 生差频
信号，将高频信号转化成低频信号。采用共射混频电路。信号电压由基极输入，
本振电压 由发射极注入。
采用此电路，
相互干扰产生牵引现象的可能性小。
同时，
对于 本振电压来说是共基电路，
其输入阻抗小，
使本振负重较重，
虽不易起振但


6
也不易过激，因此振荡波形好，失真小。

三极管混频电路原 理图如下图
2.1.2
所示。
其中，
晶体管起信号的混频作用，
两个 输入信号分别为和；电容
C
in1
、
C
in2
、
C
out
为信号输入和输出的耦合电容，起
到隔直流的作用，
使前后级的直流电 位不相互影响，
保证各级工作的稳定性；
电
容
C
e
对高频交 流信号相当于短路，消除偏置电阻
R
e
对高频信号的负反馈作用，
提高高频信 号的增益；电阻元件
R
b1
、
R
b2
、
R
e
决定晶体管的工作点；电路中的电
感
L
和电容
C
组成的谐 振电路起选频作用，
在产生的组合频率中选择所需要的中
频输出信号。

V
CC

C

V
out

C
out

C
in2

v
in2

R
e





C
e

L

C
in1

v
in1

R
b2

R
b1



图
2.1.2
晶体管混频器实验原理电路图

2.1.3

工作原理说明


晶体三极管混频器 的原理性电路如图
2.1.2
所示，
在发射结上作用有三个电
压，即直流偏置 电压
V
BB
信号电压
u
s
和本振电压
u
L
。为了减小非线性器件产生
的不需要分量，一般情况下，选用本振电压振幅
U
Lm
>>
U
sm
，也就是本振电压为大
信号，
而输入信号 电压为小信号。
在一个大信号
u
L

和一个小信号
u
s

同时作用于
非线性器件时，
晶 体管可近似看成小信号的工作点随大信号变化而变化的线性元
件，如图
2.1.3(b)
所示。
t
1
时刻，在偏压
V
BB
和本振电压
u< br>L
的共同作用下，它的
工作点在
A
点，此时
u
s较小。因此，对
u
s

而言，晶体管可以被近似看成工作于
线性 状态。在另一时刻
t
2
，对于
u
s

而言，由于偏 压和本振电压的作用，工作点
移到
B
点，这时对
u
s
仍可看成工作于线性状态。虽然两个时刻均工作于线性状
态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数 就不一样。因为
u
s

的工作点随
u
L
的
变化而变化，所以线性参量也就随着
u
L
变化而变化，可见线性 参量是随时间变
化的，
这种随时间变化的参量称为时变参量。
这样的电路称为线性时变 电路。
应
当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信号
u
s
来说，
它工作于线性状态，
因此，
当有多个小信号同时作用于此种电路的 输入端时，
可
以应用叠加原理。




7 ?
u
s
u
L
?
?
C
?
Lu
I
?
C
b
C
c
V
cc
?< br>V
bb

图
2.1.3(a)
晶体三极管混频器的等效原理图





图
2.1.3(b)
一个大信号和一个小信号同时作用于非线性原件




晶 体三极管混频器的等效原理图如图
2.1.3(a)
所示。在晶体三极管的发射
极上作 用有三个电压，即直流偏置电压
V
bb
，信号电压
U
s
和本 振电压
U
l
，通常本
振电压振幅
U
l
>>U
s
，也就是本振信号为大信号，而输入信号为小信号，在大信号
Ul
和小信号
Us
同时作用于非线性器件时，
V
bb
+U
l
可认为是时 变偏置电压，它决
定了混频器的工作点。而对于小信号
U
s
来说是工作在时变 状态下的线性工作方
式。

?
f
(
u
)
?
f
(
V
?
u
?
u
)
混频器的集电 极电流
iC
可以表示为
i

。因为
Us
很
C
be
bb
s
l
u
)
在
V
bb< br>+U
l
上对
Us
泰勒
小，在
Us
的变化范围 内，正向传输时线性的，
i
C
?
f
(
be
'
展
开
为
：
i
（
忽
略
高
阶
影
响
）
。
设
本
振
电
压
?
f
(
V
?
u
)
?
f
(
V
?
u
)
*
u
c
bb
l
bb
l< br>s
u
t
)
?
U
cos(
?
t
)
，在没有信号输入的情况下，

l
(
lm
l
f
(
V
?
u
)
?
I
?
I
?
I
cos(
t
)
?
I
cos(
2
t
)
bb
l
0
c
0
cm
1
lcm
2
l
?
?
式中
Io
，
I
cm1
，
I
cm2
，
g
0
，
g
1
，
g
2
分别是只加本振电压时，集电极时变电流中的直
流分量，基波分量，
二次谐波分量的幅值以及时变跨导中的平均分量，
基波分量，


8