三极管混频器.docx
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三极管混频器
1三极管混频器任务、功能要求说明及总体方案
1.1课题任务
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。
1.2课题总体方案介绍及工作原理
1.2.1总体方案
图1.1结构和原理
（1）输出中频调幅波与输入高频调幅波规律完全相同，即载波振幅的包络形状完全相同。
唯一的差别是载波频率不同。
（2）从频谱上看，输出中频信号与输入高频信号的频谱结构相同，只不过在频谱上搬移了一个位置。
（3）（称为下混频）低中频
（称为上混频）高中频
一般，用于振幅调制与解调的电路均可用于混频，需要改变的只是输入、输出回路和输出滤波器的参数。
若非线性器件本身仅实现混频，本振信号由单独的本地振荡器提供，称为混频器；若非线性器件既产生本振信号又实现混频，则称为变频器。
1.2.2工作原理
混频电路的基本原理：
图1.2
图2中，Us（t）为输入信号，Uc（t）为本振信号。
Ui（t）输出信号。
分析：
当
（1.1）
则：
（1.2）
=
=
其中：
（1.3）
对上式进行三角函数的变换则有：
：
从上式可推出，Up（t）含有两个频率分量和为（ψc+ψS），差为（ψC-ψS）。
若选频网络是理想上边带滤波器则输出为
（1.4）
若选频网络是理想下边带滤波器则输出：
（1.5）
工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψc>>ψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，
。
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,产生茶品信号，将高频信号转化成低频信号。
晶体管混频电路原理图如下图2-2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Cin1、Cin2、Cout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Ce对高频交流信号相当于短路，消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用，提高高频信号的增益；电阻元件Rb1、Rb2、Re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。
2三极管混频器的仿真分析
2.1参数选择
晶体三极管混频电路实验电路如图2.1所示。
本电路使用的是共发电路，本振电压UL（FL频率为10.455MHz）从晶体管的发射极e输入，信号电压Us（频率Fs为10.0MHz）从晶体三极管的基极输入，混频后的中频（Fi=FL-Fs）信号由晶体三极管的集电极输出。
输出端的带通滤波器必须调谐在中频Fi上，本实验的中频为Fi=FL-Fs=10.455MHz-10.0MHz=455kHz。
且电路中,即本振电压为大信号，输入信号电压为小信号。
图1.2仿真电路图
要产生455kHz的中频信号，那么两输入信号的频率差就应为455kHz，鉴于实验室比较容易获得10.455MHz的高频信号，那我们不妨就取本振信号为10.455MHz，于是输入信号的频率就应为10.455MHz-455kHz=10.0MHz。
另外为了满足本振信号是大信号，输入信号是小信号的约束条件，我们不妨就取输入信号
Ui=100mV;Us=500mV
下面来计算谐振回路的LC,谐振回路所起的主要作用就是选频，即选出频率是455kHz的中频信号，即,从而我们不妨取L1=10uH，C1=12nF,把这些参数值代入仿真电路即可
（2.1）
电容C5是隔直电容，滑动变阻器R2和电阻R3,R4是晶体管基极的直流偏置电阻，用来决定晶体管基极的直流电压，电阻R5是射极直流负反馈电阻，决定了晶体管射极的直流电流Ie。
晶体管需要设置一个合适的直流工作点，才能保证混频器电路正常工作，有一定的电压增益。
通常，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的交流放大倍数
，增大混频器电路的变频增益。
但Ie过大，混频电路的噪声系数会急剧增加。
对于混频器电路，一般控制Ie在0.2-1mA之间。
电阻R4是混频器的负载电阻。
电容C3，C4是混频器直流电源的去耦电容。
2.2仿真结果
输入信号的频率为10.0MHz，本振信号的频率为10.455MHz，两者的频率差为455kHz，仿真观察输出信号的波形及频率（波形记录如下）。
图2.2仿真波形
频率计显示的输出信号的频率：
图2.3输出频率
将Timebase调小，将图形放大了测量其幅值，变频增益了
图2.4
2.3仿真调试
在仿真过程中增加射极电流Ie的值，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
（噪声，失真度）
表2.1
射极电流Ie（mA）
0.606
0.798
1.1745
2.238
变频增益（倍）
6.89
8.137
10.67
14.72
规律总结：
随着射极电流的增大，电路的变频增益也逐渐增大。
但是随着射极电流的增大，混频电路的噪声系数会急剧增加，受噪声影响输出波形有很多毛刺（如下图）。
图2.3失真
在仿真过程中增加本振信号的幅度，保持输入信号幅度100mV不变观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
（噪声，失真度）
表2.2
本振信号幅度U（mV）
300
500
700
1000
变频增益（倍）
6．06
6.89
7.09
7.44
规律总结：
变频增益随着本振信号电压幅度的变大而增加。
在仿真过程中保持本振信号的幅度500mV不变，增加输入信号的幅度，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
（噪声，失真度）
表2.3
输入信号幅度（mV）
20
50
100
200
变频增益（倍）
10.69
8.11
6.89
4.22
规律总结：
变频增益随着输入信号幅度的增加而减小。
3误差分析、结论
3.1误差分析
输入信号幅度不变时，逐渐增加本振信号的幅度，刚开始由于本振信号的幅度较小，晶体管的变频跨导较小，此时随着本振信号幅度的增加，晶体管的变频跨导也逐渐增加，混频器的变频增益逐渐增加。
当本振信号幅度达到一定大小时，再增加本振信号的幅度，晶体管工作点的变化更加剧烈，晶体管的变频跨导就会逐渐下降，混频器的变频增益也逐渐下降，并且混频器的噪声系数会大大增加。
3.1.1静态工作点对混频器增益和输出波形的影响。
逐步增加射极电流Ie的值，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
（易知由于射极电阻大小不变，所以只要改变射极电压的大小就可以改变Ie，显然改变Ve实质上也就变成改变的大小了，即旋转R1即可）
表3.1
Ve（V）
3.28
4.24
5.06
5.89
输出信号电压（mV）
198
207
233
254
规律总结：
与仿真结果一致，随着射极电流的增大，电路的变频增益也逐渐增大。
原因解释：
有这样的实验公式，三极管混频器的变频跨导。
运用数学的手段分析该式，我们可以得到在一定的范围内是随着的增大而增大的，而由前面的推导可知越大越大，所以随着的增大而增大。
当然由于我们用的实验箱限制，所有器件参数都固定好了，达不到大的电流，所以观察不到仿真过程中出现的“随着射极电流的增大，混频电路的噪声系数会急剧增加，受噪声影响输出波形有很多毛刺”的现象。
本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。
逐步增加本振信号的幅度，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
下面是实验记录结果：
（输入信号的幅值一直保持111mV）
表3.2
本振信号幅度（mV）
500
600
700
800
900
1000
输出信号幅度（mV）
207
237
251
265
271
275
混频增益（倍）
1.86
2.13
2.26
2.39
2.44
2.48
规律总结：
与仿真结果类似，随着本振信号幅度增加，电路的变频增益在逐渐大。
原因解释：
图3.1
该图很形象地告诉知道，输入本振电压的幅度越大，那么也就越大，根据关系式，可知会随着本振信号幅度的增大而增大，从而也就解释了如上的规律。
3.1.3输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。
逐步增加输入信号的幅度，而保持本振信号不变，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
表3.3
输入信号幅度（mV）
111
166
220
272
330
输出信号幅度（mV）
207
224
234
242
248
变频增益（倍）
1.86
1.35
1.06
0.89
0.75
规律总结：
变频增益随着输入信号幅度的增加而减小，甚至减小到无增益反而是衰减的情况。
原因解释：
有这样的公式，当输入信号的幅度逐渐增大时，由于其在分母上，而分子基本不变，所以在逐渐变小，即随着输入信号幅度的增加，混频器的变频增益也会逐渐下降。
3.2结论
3.2.1设计体会
本次课程设计的题目是三极管混频器的设计，通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。
把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。
在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！
通过本次课程设计使我对通信电子线路又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。
本次课程设计教会我查阅书籍的重要性，通过翻阅书籍我找到了与我课设题目有关的内容，顺利进行了课程设计，我希望通过更多这样有价值的课设来充实自己。
虽然课设中有很多困难，但经过指导老师的帮助和我的努力都一一克服了，增强了自信心。
3.2.2设计重点、难点及精妙之处
本次课程设计的重点难点在与晶体管电路的选择，四种晶体管混频电路的优缺点比较如下：
晶体管混频器的电路有多种形式，一般按照晶体管组态和本地振荡电压注入点的不同有下图所示的四种基本电路:
（a）（b）
（c）（d）
（c）（d）
其中（a）和（b）为共发混频电路，图（a）信号电压由基极输入，本振电压也由基极注入。
图（b）信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。
图（c）和图（d）为共基混频电路，图（c）表示信号电压由发射极输入，本振电压也由发射极注入。
图（d）表示信号电压由发射极输入，本振电压由基极注入。
这四种电路组态个有优缺点。
图（a）电路对震荡电压来说是共发电路，输入阻抗比较大，因此用作混频的时候，本地振荡电路容易起振，需要的本振注入功率也较小，这是其优点。
但是因为信号输入电路与振荡电路相互影响较大（直接耦合），可能产生牵引现象。
这是它的缺点。
当与的相对频差不大时，牵引现象比较严重，不宜采用此种电路。
图（b）电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极输入，因此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，不宜过激励，因此振荡波形好，失真小。
这是它的优点。
但需要较大的本振注入功率，不过通常所需功率也只有几十mW,本振电路时完全可以供给的。
因此这种电路应用较多。
图（c）和（d）两种电路都是共基混频电路。
在较低频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一把不采用。
但在较高的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。
但在较高频率工作时，由于其工作电路的比共发电路的要大很多，所以变频增益较大。
因此在较高频率工作时，一般优先考虑此种电路。
由于输入信号电压很小，那么无论它工作在特性曲线的哪个区域，都可以认为特性曲线是线性的，而本振信号电压相对很大的话，可以认为器件参量基本上是受本振信号控制的，即在这种情况下可以认为器件的跨导随简谐振荡电压周期性改变，从而起到混频的作用。
参考文献
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[6]GaoJinxiang.electronictechnologyexperimentwithcoursedesign[M].Beijing:
ElectronicIndustryPress,2002.33~45
致谢
本次课程设计感谢高频理论课老师曹才开老师和课程设计指导老师贾雅琼老师的指导，还有一些热心的同学也为我解决了不少疑难知识点，没有他们的帮助我就不会按时完成这次课程设计了。
在这次课程设计过程中让我进一步地理解并应用了所学的知识，感谢这次的高频课程设计和给予我帮助的人！
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