1、第第3章章 混頻器混頻器通信電子線路通信電子線路( (第第 2 2 版版) )顧寶良 編著第第3章章 混頻器混頻器3 31 1 引言引言3 32 2 混頻原理混頻原理3 33 3 混頻失真與干擾混頻失真與干擾3 34 4 混頻器的主要指標混頻器的主要指標 3 35 5 混頻器電路結構混頻器電路結構 3 36 6 混頻器的級聯混頻器的級聯 第第3章章 混頻器混頻器3 31 1 引引 言言 混頻器（混頻器（mixer）是通信系統的重要組成部分，用）是通信系統的重要組成部分，用于在所有的射頻和微波系統進行頻率變換。于在所有的射頻和微波系統進行頻率變換。 頻率變換應該是不失真的，原載頻已調波的調制頻率

2、變換應該是不失真的，原載頻已調波的調制方式和所攜帶的信息不變。方式和所攜帶的信息不變。 第第3章章 混頻器混頻器 混頻器是一種頻率變換器件，理想混頻器是把兩混頻器是一種頻率變換器件，理想混頻器是把兩輸入信號在時域中相乘：輸入信號在時域中相乘：)cos()cos(2coscos ABBA和頻，上變頻和頻，上變頻差頻，下變頻差頻，下變頻和頻為上變頻（和頻為上變頻（Up-conversion）；）；差頻為下變頻（差頻為下變頻（Down-conversion）3 32 2 混頻原理混頻原理 第第3章章 混頻器混頻器 混頻器為三端口器件。混頻器為三端口器件。 混頻器有兩個輸入端：分別為射頻（混頻器有兩個

3、輸入端：分別為射頻（RF）與本振）與本振（LO, Local Oscillator）信號，一個輸出端：中）信號，一個輸出端：中頻（頻（IF, Intermediate Frequency）。）。 中頻頻率中頻頻率fI可以有兩種關系式表達可以有兩種關系式表達 RLIfff )()(RLLRRLRLRLIfffffffffff上混頻上混頻下混頻下混頻3 32 2 混頻原理混頻原理 3 32 22 2 混頻原理混頻原理( (時域時域) ) 第第3章章 混頻器混頻器 從頻域角度來看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出從頻域角度來看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出IF與輸入與輸入RF的頻譜結構相同。的頻譜結

4、構相同。 射頻信號射頻信號本振信號本振信號混頻輸出混頻輸出3 32 2 混頻原理混頻原理 3 32 22 2 混頻原理混頻原理( (頻域頻域) ) 第第3章章 混頻器混頻器 線性時變工作時產生的組合頻率分量的頻率通式線性時變工作時產生的組合頻率分量的頻率通式為為|p12| ; 消除了消除了p為任意值，為任意值，q = 0和和q 1的眾多頻率分量的眾多頻率分量; 對于對于|p12|的組合頻率分量中，由于無用頻的組合頻率分量中，由于無用頻率分量與所需的有用頻率分量之間的頻率間隔很率分量與所需的有用頻率分量之間的頻率間隔很大，可以降低對濾波器的要求大，可以降低對濾波器的要求; 不存在（不存在（q =

5、 2、3、）的（）的（c2，c3，）等的靠近上、下邊頻的失真邊帶分量。等的靠近上、下邊頻的失真邊帶分量。線性時變工作狀態下的混頻器線性時變工作狀態下的混頻器3 32 2 混頻原理混頻原理 3 32 22 2 混頻原理混頻原理第第3章章 混頻器混頻器組合頻率分量組合頻率分量冪次冪次組合頻率分量組合頻率分量冪次冪次11313213232 12 |21 2|32 22 |1 22|3|1 2|2p1 q2n33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾第第3章章 混頻器混頻器 這個結果，可以看出如下規律：這個結果，可以看出如下規律： 1）由于特性曲線的非線性，輸出電流中產生了輸入）由于特性曲線的非線性，輸出電流

6、中產生了輸入電壓中沒有的新頻率成份：輸入頻率的各次諧波，電壓中沒有的新頻率成份：輸入頻率的各次諧波，以及輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率以及輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率。 2） 所有組合頻率都是成對出現的。所有組合頻率都是成對出現的。 3）輸出電壓的直流成分，偶次諧波以及系數之和）輸出電壓的直流成分，偶次諧波以及系數之和（即（即 p+q）為偶數的各種組合頻率成分，其振幅均只）為偶數的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數的偶次項系數（包括常數項）有關，而與與冪級數的偶次項系數（包括常數項）有關，而與奇次項系數無關；類似地，奇次諧波以及系數之和奇次項系數無關；類似地，奇次諧波以及系數之

7、和為奇數的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數為奇數的各種組合頻率成分，其振幅均只與冪級數的奇次項系數有關，而與偶次項系數無關。的奇次項系數有關，而與偶次項系數無關。33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾第第3章章 混頻器混頻器 鏡像頻率鏡像頻率（Images） 有一個射頻輸入信號有一個射頻輸入信號fR一個干擾信號一個干擾信號fIMG = fR 2 fI，與本振，與本振fL 混頻后混頻后可能產生頻率相同的中頻信號：可能產生頻率相同的中頻信號： fL - fR = fI = fIMG - fL 產生兩個中頻信號，由干擾信號所產生的中頻產生兩個中頻信號，由干擾信號所產生的中頻信號稱為鏡頻，用信號稱為鏡

8、頻，用fIMG表示。表示。 33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾3 33 31 1失真與干擾的種類失真與干擾的種類第第3章章 混頻器混頻器輸入到混頻器的射頻信號輸入到混頻器的射頻信號與鏡頻干擾信號頻譜與鏡頻干擾信號頻譜本振信號頻譜本振信號頻譜混頻結果混頻結果 鏡像頻率的產生鏡像頻率的產生33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾3 33 31 1失真與干擾的種類失真與干擾的種類第第3章章 混頻器混頻器鏡頻與接收有用信號關于本振對稱！鏡頻與接收有用信號關于本振對稱！鏡像頻率的產生鏡像頻率的產生33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾331失真與干擾的種類失真與干擾的種類14.0914.54545515RLIIM

9、GfMHzfMHzfkHzfMHz第第3章章 混頻器混頻器22213111)cos1(23)(tMUUaUatIammmm 這表明干擾信號的幅度調制信息轉移到了有用這表明干擾信號的幅度調制信息轉移到了有用信號的幅度上，這種干擾就是交叉調制失真。信號的幅度上，這種干擾就是交叉調制失真。若非線性電路輸入有一個相對較弱的有用信若非線性電路輸入有一個相對較弱的有用信號號u1和一個較強的干擾信號和一個較強的干擾信號u2，且干擾信號是振幅，且干擾信號是振幅調制信號，即調制信號，即u2 = U2m(1+mcost)cos2t， 基波電基波電流振幅分量為流振幅分量為交叉調制（交叉調制（Cross Modula

10、tion）33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾331失真與干擾的種類失真與干擾的種類第第3章章 混頻器混頻器tUUatUUatUUatUUatUatUatUUatUUatUatUatUUaUaUatUVaUaUaUaUaaimmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm)2cos(43)2cos(43 )2cos(43)2cos(43 3cos413cos41 )cos()cos( 2cos212cos21 cos)2343( cos)2343( 212121221321221321221321221323231313212122121222221212222133232112213313

11、112222120 三階互調分量為三階互調分量為2f1 f2和和2f2 f1 互相調制（互相調制（Inter modulation）33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾331失真與干擾的種類失真與干擾的種類第第3章章 混頻器混頻器 射頻信號與本振的組合頻率射頻信號與本振的組合頻率 f = pfL qfR，n = p + q， 若組合頻率接近接收中頻附近，就會對接收機產生若組合頻率接近接收中頻附近，就會對接收機產生干擾。干擾。 這類干擾是指在本振或是在射頻信號基波頻率上這類干擾是指在本振或是在射頻信號基波頻率上下對稱分布。影響最大的是三階組合干擾頻率，下對稱分布。影響最大的是三階組合干擾頻率，即即

12、fL 2fR 或或2fL fR。 產生這種干擾的原因混頻器的非線性或由于本振產生這種干擾的原因混頻器的非線性或由于本振信號的頻譜不純，含有豐富的諧波成份，產生了信號的頻譜不純，含有豐富的諧波成份，產生了這種組合頻率的干擾。這種組合頻率的干擾。本振與射頻的組合頻率干擾本振與射頻的組合頻率干擾33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾331失真與干擾的種類失真與干擾的種類第第3章章 混頻器混頻器 理想振蕩器理想振蕩器輸出頻譜輸出頻譜實際振蕩器實際振蕩器輸出頻譜輸出頻譜互易混頻互易混頻輸出頻譜輸出頻譜33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾331失真與干擾的種類失真與干擾的種類互易混頻（互易混頻（Reciproc

13、al Mixing）第第3章章 混頻器混頻器 鏡像頻率的抑制鏡像頻率的抑制 采用高中頻接收機方案采用高中頻接收機方案 例例3.3.3 某下混頻接收機接收信號頻率為某下混頻接收機接收信號頻率為14.090MHz，中頻為，中頻為41MHz，求本振頻率，求本振頻率 和鏡頻干擾頻率。和鏡頻干擾頻率。 高中頻方案的缺點：高中頻方案的缺點： 接收機選擇性差、提高對中放電路的要求接收機選擇性差、提高對中放電路的要求33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾332失真與干擾的抑制失真與干擾的抑制第第3章章 混頻器混頻器 消除或減少交調、互調干擾的方法：消除或減少交調、互調干擾的方法：1) 采用線性度好的混頻器，選擇合

14、適靜態工作點；采用線性度好的混頻器，選擇合適靜態工作點；2) 降低射頻信號輸入幅度，使混頻器工作在線性時變降低射頻信號輸入幅度，使混頻器工作在線性時變工作狀態，減少混頻的高次諧波分量工作狀態，減少混頻的高次諧波分量;3) 從電路結構上考慮，采用多個非線性器件構成平衡從電路結構上考慮，采用多個非線性器件構成平衡混頻電路，抵消一部分無用的組合頻率分量；混頻電路，抵消一部分無用的組合頻率分量；4) 采用補償及負反饋技術實現接近理想的相乘運算。采用補償及負反饋技術實現接近理想的相乘運算。 消除或減少互易混頻干擾的方法：消除或減少互易混頻干擾的方法：1) 采用線性度較好的混頻器采用線性度較好的混頻器2)

15、 提高本振信號頻譜純度提高本振信號頻譜純度混頻器其它的干擾抑制混頻器其它的干擾抑制33 混頻失真與干擾混頻失真與干擾332失真與干擾的抑制失真與干擾的抑制第第3章章 混頻器混頻器 變頻增益或損耗（變頻增益或損耗（Conversion Gain or Loss） 變頻壓縮（變頻壓縮（Conversion compression） 三階互調阻斷點（三階互調阻斷點（IP3, Third Order Intercept Point） 端口隔離度（端口隔離度（LO與與RF，LO與與IF，RF與與IF） 34 混頻器的主要指標混頻器的主要指標第第3章章 混頻器混頻器 混頻器的變頻增益混頻器的變頻增益Gc定

16、義為在本振功率定義為在本振功率PLO不變的不變的 情況下，負載獲得的最大中頻功率情況下，負載獲得的最大中頻功率PIF與射頻輸入與射頻輸入 功率功率PRF之比的對數，即之比的對數，即 )()()(log10dBWPWPGLOPRFIFc常常數數 若變頻增益若變頻增益Gc 0，則混頻器有增益；反之為損耗。，則混頻器有增益；反之為損耗。電壓轉換增益與功率轉換增益電壓轉換增益與功率轉換增益 之間的關系之間的關系變頻增益或損耗（變頻增益或損耗（Conversion Gain or Loss）34 混頻器的主要指標混頻器的主要指標第第3章章 混頻器混頻器 例例3.4.1如圖所示為一混頻電路，射頻信號源如圖

17、所示為一混頻電路，射頻信號源RF的內阻為的內阻為RS（天線阻抗或（天線阻抗或LNA輸出阻抗）。設混輸出阻抗）。設混頻器的輸入阻抗為頻器的輸入阻抗為Ri，在混頻器輸入端口的電壓，在混頻器輸入端口的電壓為為ui，求此混頻器的變頻增益。，求此混頻器的變頻增益。34 混頻器的主要指標混頻器的主要指標變頻增益或損耗（變頻增益或損耗（Conversion Gain or Loss）第第3章章 混頻器混頻器 變頻壓縮是指本振功率不變，中頻輸出功率隨著射頻變頻壓縮是指本振功率不變，中頻輸出功率隨著射頻輸入功率的增長而線性增加，其轉換增益為常數。輸入功率的增長而線性增加，其轉換增益為常數。34 混頻器的主要指標

18、混頻器的主要指標變頻壓縮（變頻壓縮（Conversion compression）第第3章章 混頻器混頻器 三階互調阻斷點是一個理論上的外推值，是表征三階互調阻斷點是一個理論上的外推值，是表征混頻器線性性能的重要指標混頻器線性性能的重要指標 。IP3是規定在標準是規定在標準本振功率下的參數本振功率下的參數。34 混頻器的主要指標混頻器的主要指標三階互調阻斷點三階互調阻斷點(IP3, Third Order Intercept Point)第第3章章 混頻器混頻器 LO與與RF、LO與與IF、RF與與IF之間的隔離之間的隔離;典型的混頻器主要參數典型的混頻器主要參數指標名稱指標名稱數值數值增益增

19、益10dBNF12dBIIP3+5dBm輸入阻抗輸入阻抗50口間隔離口間隔離10-20dB34 混頻器的主要指標混頻器的主要指標端口隔離度端口隔離度第第3章章 混頻器混頻器 下混頻器都設計成為線性時變工作狀態下混頻器都設計成為線性時變工作狀態 混頻電路類型混頻電路類型 I. 無源混頻器無源混頻器1) 單二極管混頻電路單二極管混頻電路2) 二極管平衡混頻電路二極管平衡混頻電路3) 雙平衡類型的二極管環形混頻器雙平衡類型的二極管環形混頻器 II. 有源混頻器有源混頻器 1) 三極管混頻電路三極管混頻電路 2) 單平衡混頻電路單平衡混頻電路 3) 吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)

20、混頻電路混頻電路 35 混頻器電路結構混頻器電路結構 第第3章章 混頻器混頻器 通常由非線性器件或開關元件構成，電路簡單通常由非線性器件或開關元件構成，電路簡單 不能提供變頻增益，作為下變頻的接收機電路為不能提供變頻增益，作為下變頻的接收機電路為了得到更小的噪聲系數，在前級一般要加了得到更小的噪聲系數，在前級一般要加LNA，由此會引起更多的互調失真。由此會引起更多的互調失真。 無源混頻器的變壓器通常會限制混頻器的最高工無源混頻器的變壓器通常會限制混頻器的最高工作頻率，從而影響帶寬，且集成度差，體積較大作頻率，從而影響帶寬，且集成度差，體積較大35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器

21、無源混頻器第第3章章 混頻器混頻器二極管的大信號開關工作狀態二極管的大信號開關工作狀態 單二極管混頻電路單二極管混頻電路35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器第第3章章 混頻器混頻器3cos32cos221)cos()()cos(1tttRUtKRtUiLLRDRmLDRRmD流經二極管的電流流經二極管的電流iD為為RF直通直通| pfLfR | |fR fL|35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器單二極管混頻電路單二極管混頻電路第第3章章 混頻器混頻器 優點：優點： 電路簡單電路簡單 缺點：缺點：1) 如果在射頻輸入信號含有直流分量如果在射頻輸

22、入信號含有直流分量 ，本振信號，本振信號 直接饋通到輸出端直接饋通到輸出端;2) 輸出頻譜十分豐富，不能提供任何隔離，也不能輸出頻譜十分豐富，不能提供任何隔離，也不能提供混頻增益。除了產生所需的混頻結果外，還提供混頻增益。除了產生所需的混頻結果外，還含有大量的組合頻率分量含有大量的組合頻率分量。35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器單二極管混頻電路單二極管混頻電路第第3章章 混頻器混頻器35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器二極管平衡混頻電路二極管平衡混頻電路第第3章章 混頻器混頻器35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器二

23、極管環形混頻電路二極管環形混頻電路第第3章章 混頻器混頻器35 混頻器電路結構混頻器電路結構 351無源混頻器無源混頻器二極管環形混頻電路二極管環形混頻電路第第3章章 混頻器混頻器 有源混頻器的應用更為廣泛，特別是在射頻集成電有源混頻器的應用更為廣泛，特別是在射頻集成電路（路（RFIC）中。）中。 可以提供混頻增益，采用有源平衡非平衡轉換電可以提供混頻增益，采用有源平衡非平衡轉換電路，易于集成。路，易于集成。 在有源混頻器中，通常把射頻電壓轉成電流信號，在有源混頻器中，通常把射頻電壓轉成電流信號，本振開關控制電流信號。本振開關控制電流信號。 優點：優點： 1) 通過端接適當負載，可以獲得一定的

24、電壓增益；通過端接適當負載，可以獲得一定的電壓增益； 2) 對本振的振幅要求降低；對本振的振幅要求降低； 3) 端口的隔離度更好，更適于低電壓工作。端口的隔離度更好，更適于低電壓工作。 缺點：缺點： 需要一定的偏置電流，帶來了直流功耗和射頻電壓需要一定的偏置電流，帶來了直流功耗和射頻電壓的直流分量，線性度也受到了限制。的直流分量，線性度也受到了限制。35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器單管混頻器單管混頻器電路結構電路結構單開關采樣單開關采樣電路實現電路實現混頻功能混頻功能 三極管混頻電路三極管混頻電路35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有

25、源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器即由于該混頻管和轉移特性曲線具有良好的平方律即由于該混頻管和轉移特性曲線具有良好的平方律特點，因此特點，因此a1a2，a3a2，上述關系式可近似簡，上述關系式可近似簡化為化為ica0+a2u2be。 35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器三極管混頻電路三極管混頻電路第第3章章 混頻器混頻器 tAtUtUAAuuuuaauuaaiRLILLmRRmLRLRLRc)cos(2cos2cos2)(22202220220把把ube = uR + uL = URmcosRt + ULmcosLt，代入，代入ic ube 近似關系可得近似關

26、系可得tUgtUUatAiIRmmcRLLmRmRLIIcos)cos()cos(2|2RLILmmcUag變頻跨導變頻跨導三極管混頻電路三極管混頻電路35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器三極管單平衡混頻電路（三極管單平衡混頻電路（SBM , Single Balanced Mixer） 35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器3cos31cos4)cos()()cos()(2tttUtKtUtULLRRmLRRmLo)cos()cos(2ttULRLRRm本振信號的開關函數為雙向開關函數本振信號的

27、開關函數為雙向開關函數K2(Lt)。單平衡混頻器輸出電壓為：單平衡混頻器輸出電壓為：其中二次乘積項為其中二次乘積項為 無直流饋通無直流饋通|R R p p L L| | 單平衡混頻電路單平衡混頻電路35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻電路混頻電路35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器第第3章章 混頻器混頻器TLCTLCCCCCCCCCoutUuiUuiiiiiiiiii2tanh2tanh)()()()(2156436453輸出電流為輸出電流為 TRTLEEoutU

28、uUuIi2tanh2tanh35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻電路混頻電路第第3章章 混頻器混頻器 在吉爾伯特單元混頻器電路中，射頻和本振信號在吉爾伯特單元混頻器電路中，射頻和本振信號的輸入端都為差分形式，這兩個端口都為平衡結的輸入端都為差分形式，這兩個端口都為平衡結構，吉爾伯特單元電路也稱為雙平衡混頻器構，吉爾伯特單元電路也稱為雙平衡混頻器（DBM, Double Balanced Mixer）。）。 雙平衡混頻電路中的倒相開關使得差分中頻輸電雙平衡混頻電路中的倒相開關使得差分中頻輸電壓抵消掉了由于射頻直流

29、分量的存在而產生的本壓抵消掉了由于射頻直流分量的存在而產生的本振輸出分量。振輸出分量。 差分輸出的電壓幅度比單平衡混頻器增加一倍。差分輸出的電壓幅度比單平衡混頻器增加一倍。 35 混頻器電路結構混頻器電路結構 352有源混頻器有源混頻器吉爾伯特單元吉爾伯特單元(Gilbert Cell)混頻電路混頻電路第第3章章 混頻器混頻器 例例3.6.1假設端口假設端口A、B、C都是共軛匹配且阻抗都為都是共軛匹配且阻抗都為50。混頻器的輸出阻抗混頻器的輸出阻抗D為為500，第五級的中頻濾波器源和負載，第五級的中頻濾波器源和負載阻抗阻抗E都是都是500，若輸入噪聲電流忽略不計，求該接收系統，若輸入噪聲電流忽

30、略不計，求該接收系統的噪聲系數。的噪聲系數。36混頻器的級聯混頻器的級聯361帶混頻器的級聯系統噪聲系數的計算帶混頻器的級聯系統噪聲系數的計算第第3章章 混頻器混頻器 在接收機的設計中，理想情況下前級電路輸出阻在接收機的設計中，理想情況下前級電路輸出阻抗和后級電路的輸入阻抗相等；抗和后級電路的輸入阻抗相等； 實際情況中往往前后級電路間的阻抗不匹配；實際情況中往往前后級電路間的阻抗不匹配； 噪聲系數級聯公式中的功率增益與電壓增益不等，噪聲系數級聯公式中的功率增益與電壓增益不等，需要重新計算功率增益。需要重新計算功率增益。36混頻器的級聯混頻器的級聯361帶混頻器的級聯系統噪聲系數的計算帶混頻器的

31、級聯系統噪聲系數的計算第第3章章 混頻器混頻器 混頻器與負載（通常為濾波器）連接時，可以直混頻器與負載（通常為濾波器）連接時，可以直接連接；接連接； 若對隔離或負載阻抗的匹配有要求，可以對混頻若對隔離或負載阻抗的匹配有要求，可以對混頻器端接。器端接。 共基極放大器，輸入共基極放大器，輸入阻抗阻抗Zin = 1/gm 共集組態，輸出電阻小，共集組態，輸出電阻小，隔離度較好。隔離度較好。36混頻器的級聯混頻器的級聯362混頻器端接混頻器端接第第3章章 混頻器混頻器 平衡輸出式混頻器有很多優點，但大多數平衡輸出式混頻器有很多優點，但大多數LNA與與濾波器都是單端接口形式的。濾波器都是單端接口形式的。 為了減小直接連接對增益的影響，通常采用平衡為了減小直接連接對增益的影響，通常采用平衡非平衡（非平衡