1、0高频实验二晶体三极管混频电路实验一、实验目的1.进一步学习变频电路的相关理论、工作原理以及基本电路结构。2.掌握三极管混频电路的工作原理和调试方法。3了解熟悉其他变频方法以及电路。4学会通过仿真而了解混频电路特性以及各电路原件的作用的方法。二、实验仪器1小信号调谐放大器实验板2200MHz 泰克双踪示波器(Tektronix TDS 2022B)3. 8808A FLUKE 万用表4.220V 市电接口5.EE1461 高频信号源6.AT6011 频谱分析仪7.PC 一台(附有 multisim 仿真软件)三、背景介绍：在通信技术中，经常需要将信号自某一频率变换为另一频率，一般用得较多的是把
2、一个已调的高频信号变成另一个较低频率的同类已调信号。例如：在超外差中波接收机中，经天线接收到的高频信号(载频位于 535 kHz1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号) 通过变频，变换成 465kHz 的中频信号；在调频广播接收机中, 把载频位于 88 MHz108MHz 的各调频台信号变换为中频为10.7MHz 的调频信号。完成这种频率变换的电路称变频器，采用变频器后，接收机的性能将得到提高。图 2-1 混频器的电路模型1本振信号用于产生一个等幅的高频信号 UL ，并与输入信号 US 经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。目前，高质量的通信接收机广泛采用二极管环形混频器和由差分对管
3、平衡调制器构成的混频器，而在一般接收机（例如广播收音机）中，为了简化电路，还是采用简单的三极管混频器。四、实验原理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12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
4、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。图 2-2 晶体管混频器实验原理电路公式推导：在忽略三极管内部反馈和集电极电压反作用的情况下，基极电压和集电极电流的函数关系可以写为=() ,式中 =+将上式用泰勒级数展开，鉴于 很小，可以忽略二次方以及以上各项，并vin1VCCRb1R b2Re CeVoutL CCin1 CoutCin2vin22将各表达式代入，可得 (+10+220+)+(0+10+220+)运用数学手段，化简上式，提取中频频率 ,那么中频电流分量=
5、0为 ，其振幅为 ，输出的中频电流振幅 与输=12cos(0) =12 入的高频信号电压振幅 之比，称为变频跨导 ,并且有 . =121实验电路：晶体三极管混频电路实验电路如图 2-2 所示。本电路使用的是共发电路，本振电压 UL(FL频率为 10.7MHz)从晶体管的发射极 e 输入，信号电压 Us(频率Fs 为 10.245MHz)从晶体三极管的基极输入，混频后的中频(Fi=F L-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=10.7MHz-10.245MHz=455kHz。且电路中 ,即本振电压为大信号，输入信号电压为
6、小信号。C4 C3 R3R1C2* B2R4C5R5LED1K +12RW1R2C1 CV J三三三三三三三三三TP1IN1TP3 OUTTP2IN2A8-0808图 2-3 晶体三极管混频电路实验电路图电容 C1 是隔直电容，滑动变阻器 RW1 和电阻 R1,R2 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 R3 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。3但 Ie 过大，混频
7、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。五、实验准备第一部分：理论计算要产生 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 10.7MHz 的高频信号，那我们不妨就取本振信号为10.7MHz，于是输入信号的频率就应为 10.7MHz-455kHz=10.245MHz。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 =100mV, =500mV。 下面来计算谐振回路的 LC，谐振回路所起的主要作用就
8、是选频，即选出频率是455kHz 的中频信号，即 ,从而我们不妨取 L=10uH，C=12nF,12=0=455把这些参数值代入仿真电路即可第二部分：仿真下图为仿真时的电路图：步骤一、输入信号的频率为 10.245MHz，本振信号的频率为 10.7MHz，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） 。4频率计显示的输出信号的频率：将 Timebase 调小，将图形放大了测量其幅值，该变频增益=688.43199.956=6.89比较密的是输入波形，稀疏的是输出波形5步骤二、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
9、，失真度）射极电流（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） 。步骤三、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）本振信号幅度（mV） 300 500 700 1000变频增益(倍) 606 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。步骤四、在仿真
10、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）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。六、具体实验内容及步骤1.中频频率观测在实验箱主板上插上晶体三极管混频电路实验模块，接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。 由高频信号源产生 10.7MHz 的正弦信号，作为本振信号接入晶体三极管毛刺很多，很不光滑。 （噪声的影响）6混频电路实验模块 IN2 端，高频信号源产生的 10.245MHz 输入信号接入 IN1端。
11、调整两个信号的大小，本振信号幅度为 500mV，输入信号的幅度为 100mV，调整分压电阻 RW1 使晶体管的射极电流在 1mA 左右，用示波器观测 TP3 点并用频率计测量 OUT 端频率，应有频率为 455kHz 的信号输出。调整微调电容 CV，使输出信号幅值最大、失真最小。经过不断调节，我们得到的输出幅值最大、失真最小的波形如下图此时输出波形的频率示波器上显示的却是是 455kHz。为什么波形的负半周期会有那么多噪声？试解释之。原因 1：本振源里面存在杂散噪声所引起的。图中 为本振频率，在本振信号0两侧存在边带噪声，如虚线三角部分所示。 是有用信号频率。 与 混 0 频后，产生中频 。
12、与 为两个 12干扰信号。它们与 混频后，产生的0频率分量可能不在中频通带之内，因而不会引起干扰哨声。但 或 与12边带噪声中的某些噪声分量混频后，可能产生正好落在中频通带内的频率分量，形成中频噪声，结果使得输出信噪比下降，从而出现如上的波形。此时的实验条件是：输入信号幅度为111mV,频率为10.245MHz；本振信号幅度为 500mV,频率为 10.7MHz。输出信号赋值为207mV。7解决方法：使用好一点的射频信号源，使得本振信号的频谱尽量纯净。原因 2：为了探究其原因，我逐个的检查电路各点的信号，发现一个奇怪的现象就是输入本振信号在未连入到电路中时用示波器测量波形很完好，但连入电路中之
13、后就发现波形的负半周已经不稳定，波形总是晃动而且还变形。由此可以联想输出波形的负半周那么多噪声正是由于这些波纹造成的，这些晃动的波纹通过混频器之后输出的波在信号负半周叠加，从而才出现了上面怪异的输出波形。而这些晃动的波纹是由于高频电路本身对电路的影响造成的（因为只有在信号源接入电路之后测得的信号源输出的信号才是这样） ，所以我们只要减小电路本身对信号源的影响就想了，可行的办法之一就是在射极电阻的两端并联一个电容（如右图） ，这样可使整个电路本身对信号源的影响大大减小。2 当改变高频信号源的频率时，输出中频 TP3 的波形作何变化，为什么？答：当改变高频信号源的输出频率时，不管是输入信号频率还是
14、本振信号频率，输出中频波的波形基本不变，只是频率改变，这是因为变频器只是改变信号频率，并不改变其波形，且中频频率为 ，当你改变 或是 时，=0 0 显然会变，所以输出信号只有频率的变化，波形并不改变。3. 混频的综合观测有晃动的不稳定的波纹8用高频信号源产生中心频率为 10.245MHz 的调幅信号，接入晶体三极管混频电路实验模块 IN1 端，由高频信号源产生的 10.7MHz 本振信号接入 IN2端。调整两个信号的大小和 RW1，用示波器观测 TP3 点波形，特别注意观察TP1 和 TP3 两点波形的包络是否一致。此实验现象再次验证了混频器只将已调高频信号的载波频率从高频变为中频，并不改变其
15、调制规律。4.观察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 RW1 即可）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=(0.350.7)/26 1+(26)2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
16、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。 上面的为输入的调幅波的包络；下面的为输出中频信号的包络9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。5. 观察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）本振信号幅度（mV）500 600 700 800 900 1000输出信号幅度(mV) 207 23
17、7 251 265 271 275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：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1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=121 上的规律。6.观察输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。10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。输入信号幅度（mV）111 166 220 272 330输出信号幅度（mV）207 224 234 242 24
18、8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7.在 IN1 端输入 11.155MHz 的信号可以观察镜像干扰。由前面的推导可知，混频器的输出中，除了需要的中频电流外，还存在一些谐波频率和组合频率，这些组合频率可以用通式表示为=+()0+()通过这些组合以及联系实际我们知道产生组合副波道干扰的干扰信号频率为,当该式中 p=1,
19、q=1 时，即 ，此时1（ 0+() +2=0+就产生了镜像干扰。亦即，信号频率 比本振频率低一个 ，干扰频率比 高 0一个 ，两者对称的分布在 两侧。 0根据上面的理论，我们输入频率 11.155MHz 干扰信号，发现输出的波形与输入 10.245MHz 的时候相差无几，用傅里叶变换可得其频谱图如下：11七、实验回顾通过这次试验，加强了我们思考问题和解决问题的能力，我对三极管混频电路的原理有了更深刻的理解。我觉得学理论知识的时候可能由于书本上的知识点太多，平时的学习并不能很好地理解和运用，然而通过实验，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更深的理解，平时看课本时遇到的想不通
20、的问题，做完实验后变得清晰明朗起来，果然知识来源于实践。回顾整个过程，觉得有些还问题还没有说清楚，现补充了如下：问题 1、为什么混频电路的电压增益会随本振信号幅度（输入信号幅度不变）的增大而增大，当增大到一定程度后又逐渐减小？答: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。问题 2、混频器常用的
21、非线性器件有哪些，对这些器件做些比较？答：混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。其中二极管混频器又可以分为二极管平衡混频器和二极管环形混频器等，目前二极管混频器的集成电路已经在市面上广泛使用。二极管混频电路的主要特点是：1.混频电路本身没有增益；2.混频后出现的非线性分量较少；3.混频电路的输入信号线性范围较大。三极管混频器与场效应管混频器的混频原理差不多，但三极管混频电路和12场效应管混频电路相比：1.具有较大的电压增益。 2.电路噪声和非线性分量较多； 3. 工作频率比场效应管混频电路的要低。 模拟乘法器可以实现两个输入信号的乘积，即可得信号 ，1212它可以分解成频率
22、为 和 的两个正弦波的叠加，于是在模拟乘法12 1+2器后面加上带通滤波器将 的频率分量滤掉就达到混频器的功效了。1+2问题 3、四种晶体管混频电路的优缺点比较？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， 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
23、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(a) (b) (c) (d)13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 0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(
24、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。问题四、为什么要满足 ,即本振信号为大信号，输入信号为小信号？答：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。
