1、2021/7/261(最新整理)混频器混频器张宾宾3.1 3.1 引引 言言 混频器（混频器（mixer）是通信系统的重要组成部分，用）是通信系统的重要组成部分，用于在所有的射频和微波系统进行频率变换。于在所有的射频和微波系统进行频率变换。这种频率变换应该是不失真的，原载频已调波的调这种频率变换应该是不失真的，原载频已调波的调制方式和所携带的信息不变。制方式和所携带的信息不变。在发射系统中，混频器用于上变频；在接收系统中在发射系统中，混频器用于上变频；在接收系统中一般用作下变一般用作下变 频。频。混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输入信号在时
2、域中相乘：入信号在时域中相乘：)cos()cos(2coscos ABBA和频，上变频和频，上变频差频，下变频差频，下变频取出和频为上变频（取出和频为上变频（Up-conversion）；）；取出差频为下变频（取出差频为下变频（Down-conversion）必须通过滤波器滤除不需要的频率成分。必须通过滤波器滤除不需要的频率成分。3.2 混频原理混频原理 混频器为三端口器件。混频器为三端口器件。混频器有两个输入端：分别为射频（混频器有两个输入端：分别为射频（RF）与本振（）与本振（LO,Local Oscillator）信号，一个输出端：中频（）信号，一个输出端：中频（IF,Intermedi
3、ate Frequency）。）。中频频率中频频率fI可以有两种关系式表达可以有两种关系式表达 RLIfff )()(RLLRRLRLRLIfffffffffff上变频上变频下变频下变频3.2 混频原理混频原理 3.2.2 混频原理混频原理(时域时域)从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出IF与输入与输入RF的频谱结构相同。的频谱结构相同。射频信号射频信号本振信号本振信号混频输出混频输出3.2 混频原理混频原理 3.2.2 混频原理混频原理(频域频域)nnnnuuauuauuauuaauauauauaaufi)()()()()(213213
4、22122110332210!)()(!1)(nUfduufdnaQnUunnnQmmnnmnuumnmnuu21021)!(!)(二极管或三极管等电路的非线性特性可以用幂级数来表二极管或三极管等电路的非线性特性可以用幂级数来表示。当输入端同时作用着两个输入电压时，其表示式为：示。当输入端同时作用着两个输入电压时，其表示式为：其中其中0210)!(!nmmnnnmuuamnmni当当m=1,n=2,有有i=2a2u1u23.2 混频原理混频原理非线性电路的混频功能非线性电路的混频功能把把i=f(UQ+u1+u2)在在(UQ+u1)上对上对 u2 Taylor展展开开221 21121)(!21
5、)()()(uuUfuuUfuUfuuUfiQQQQ若若u2足够小，简化为足够小，简化为 211)()(uuUfuUfiQQ2110)()(uuguI i与与u2是线性关系，但它们的系数是时是线性关系，但它们的系数是时变，即线性时变工作状态。变，即线性时变工作状态。3.2.2 混频原理混频原理 线性时变工作状态下的混频器线性时变工作状态下的混频器当当u1=U1mcos1t 时，时，u2=U2mcos2t时时，g(u1)将是角将是角频率为频率为1的周期性函数，的周期性函数，Fourier级数展开式为级数展开式为 tgtggtUgugm121101112coscos)cos()(代入电流表达式代入
6、电流表达式 i=i0(u1)+g(u1)u2，得，得ttUgttUgtUgtItIItUtgtggtItIIimmmmmmmm2122212122012110221211012110cos2coscoscoscos2coscoscos)2coscos()2coscos(3.2.2 混频原理混频原理 线性时变工作状态下的混频器线性时变工作状态下的混频器线性时变工作时产生的组合频率分量的频率通式为线性时变工作时产生的组合频率分量的频率通式为|p12|;当两个信号当两个信号u1和和u2同时作用于一个非线性电路时，同时作用于一个非线性电路时，若若u1的幅度足够大，的幅度足够大，u2的幅度足够小，则输出
7、电流的幅度足够小，则输出电流i与与u2成线性关系，而系数成线性关系，而系数g1(u1)为时变参量，这种工为时变参量，这种工作状态为线性工作状态，而作状态为线性工作状态，而u1为时变控制信号。在为时变控制信号。在下面讨论的所有混频器电路中，都设计成这种工作下面讨论的所有混频器电路中，都设计成这种工作状态。状态。3.2 混频原理混频原理线性时变工作状态下的混频器线性时变工作状态下的混频器镜像频率镜像频率（Images）即使是理想的下混频器，若有一个射频输入信号即使是理想的下混频器，若有一个射频输入信号fR和一个干扰信号和一个干扰信号fIMG=fR 2fI，与本振混频后可，与本振混频后可能产生频率相
8、同的中频信号：能产生频率相同的中频信号：fL-fR=fI=fIMG-fL 上式中产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频上式中产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频信号称为镜频，用信号称为镜频，用fIMG表示。表示。3.3 混频失真与干扰混频失真与干扰3.3.1 失真与干扰的种类失真与干扰的种类输入到混频器的射频信号输入到混频器的射频信号与镜频干扰信号频谱与镜频干扰信号频谱本振信号频谱本振信号频谱混频结果混频结果 3.3 混频失真与干扰混频失真与干扰镜像频率的产生镜像频率的产生3.3 混频失真与干扰混频失真与干扰互相调制（互相调制（Inter Modulation）当射频输入端口有多个干扰信
9、号当射频输入端口有多个干扰信号fm1、fm2同时进入时，同时进入时，每个干扰信号与本振作用的组合频率并不等于中频，每个干扰信号与本振作用的组合频率并不等于中频，但可能会产生如下式的组合频率分量：但可能会产生如下式的组合频率分量：IFLOmmffsfrf)(21这些频率分量使混频器的输出中频失真。它是由这些频率分量使混频器的输出中频失真。它是由非线性器件的非线性器件的(r+s+1)次方产生的。与线性放大器次方产生的。与线性放大器一样，这种由两个干扰信号互相作用而产生的干一样，这种由两个干扰信号互相作用而产生的干扰称为互调失真扰称为互调失真射频信号与本振的组合频率射频信号与本振的组合频率 f=pf
10、L qfR，n=p+q，若组合频率接近接收中频附近，就会对接收机产生若组合频率接近接收中频附近，就会对接收机产生干扰。干扰。这类干扰是指在本振或是在射频信号频率上下对称这类干扰是指在本振或是在射频信号频率上下对称分布。影响最大的是三阶组合干扰频率，即分布。影响最大的是三阶组合干扰频率，即fL 2fR 或或2fL fR。产生这种干扰的原因是混频器的非线性或由于本振产生这种干扰的原因是混频器的非线性或由于本振信号的频谱不纯，含有丰富的谐波成份，产生了这信号的频谱不纯，含有丰富的谐波成份，产生了这种组合频率的干扰。种组合频率的干扰。3.3 混频失真与干扰混频失真与干扰本振和射频的组合频率干扰本振和射
11、频的组合频率干扰Lff 理想振荡器理想振荡器输出频谱输出频谱实际振荡器实际振荡器输出频谱输出频谱互易混频互易混频输出频谱输出频谱3.3 混频失真与干扰混频失真与干扰互易混频（互易混频（Reciprocal Mixing）fRfIfRfLfI变频增益或损耗（变频增益或损耗（Conversion Gain or Loss）变频压缩点（变频压缩点（Conversion compression）三阶互调阻断点（三阶互调阻断点（IP3,Third Order Intercept Point）端口隔离度（端口隔离度（LO与与RF，LO与与IF，RF与与IF）3.4 混频器的主要指标混频器的主要指标 混频器
12、的变频增益混频器的变频增益Gc定义为在本振功率定义为在本振功率PLO不变的不变的 情况下，负载获得的最大中频功率情况下，负载获得的最大中频功率PIF与射频输入与射频输入 功率功率PRF之比的对数，即之比的对数，即 )()()(log10dBWPWPGLOPRFIFc常常数数 若变频增益若变频增益Gc 0，则混频器有增益；反之为损耗。，则混频器有增益；反之为损耗。3.4混频器的主要指标混频器的主要指标变频增益或损耗变频增益或损耗（Conversion Gain or Loss）变频压缩是指本振功率不变，中频输出功率随着射频变频压缩是指本振功率不变，中频输出功率随着射频输入功率的增长而线性增加，其
13、转换增益为常数。输入功率的增长而线性增加，其转换增益为常数。3.4 混频器的主要指标混频器的主要指标变频压缩（变频压缩（Conversion compression）混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位为漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位为dB。泄露形成原因是混频器内部电路的不对称性泄露形成原因是混频器内部电路的不对称性3.4 混频器的主要指标混频器的
14、主要指标隔离度隔离度三阶互调阻断点是一个理论上的外推值，是表征混三阶互调阻断点是一个理论上的外推值，是表征混频器线性性能的重要指标频器线性性能的重要指标。3.4 混频器的主要指标混频器的主要指标三阶互调阻三阶互调阻断点断点(IP3,Third Order Intercept Point)它是由混频器非线性特性中的三次方项产生的它是由混频器非线性特性中的三次方项产生的2f1-f2或或2f2-f1组合干扰频率信号，再与本振混频后位组合干扰频率信号，再与本振混频后位于中频带内的干扰，当三阶互调干扰分量增长到于中频带内的干扰，当三阶互调干扰分量增长到和中频基波分量相等时，混频器输入信号称为混和中频基波
15、分量相等时，混频器输入信号称为混频器的输入频器的输入IP3。IP3越大，则表明混频器的线性动态范围越宽，本越大，则表明混频器的线性动态范围越宽，本振功率不同，振功率不同，IP3的值也不同。通常混频器产品的的值也不同。通常混频器产品的IP3指标是规定在标准本振功率下的参数指标是规定在标准本振功率下的参数PRF(dBm)PIF(dBm)三阶互调产物3:1IP3IIP3OIP3所需线性信号1:1IP3是规定在标准是规定在标准本振功率下的参数本振功率下的参数。3.4 混频器的主要指标混频器的主要指标三阶互调阻三阶互调阻断点断点(IP3,Third Order Intercept Point)LO与与R
16、F、LO与与IF、RF与与IF之间的隔离之间的隔离;表表3.4.1典型的混频器主要参数典型的混频器主要参数阻抗阻抗34混频器的主要指标混频器的主要指标端口隔离度端口隔离度 下混频器都设计成为线性时变工作状态。下混频器都设计成为线性时变工作状态。混频电路类型混频电路类型 I.无源混频器无源混频器 1)单二极管混频电路单二极管混频电路 2)二极管平衡混频电路二极管平衡混频电路 3)双平衡类型的二极管环形混频器双平衡类型的二极管环形混频器 II.有源混频器有源混频器 1)三极管混频电路三极管混频电路 2)单平衡混频电路单平衡混频电路 3)吉尔伯特单元吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路混
17、频电路 35混频器电路结构混频器电路结构 二极管的大信号开关工作状态二极管的大信号开关工作状态 单二极管混频电路单二极管混频电路 3.5.1 无源混频器无源混频器 加在二极管上的信号电压幅度足够大，二极管的加在二极管上的信号电压幅度足够大，二极管的伏安特性可近似用从原点出发的斜直线表示伏安特性可近似用从原点出发的斜直线表示cosmvVtmDDD1Dcos 220 2()VttRitviKtR则 即1122,()cos()cos(3).,23Kttt其 中为 单 向 开 关 函 数二极管开关工作状态二极管开关工作状态 3.5.1 无源混频器无源混频器3cos32cos221)cos()()cos
18、(1tttRRUtKRRtUiLLRLDRmLLDRRmD流经二极管的电流流经二极管的电流iD为为RF直通直通|pfLfR|fR fL|3.5.1无源混频器无源混频器tURRtiLORFRmLDIF)cos(11)(优点：优点：电路简单电路简单 缺点：缺点：1)如果在射频输入信号含有直流分量如果在射频输入信号含有直流分量，本振，本振信号直接馈通到输出端信号直接馈通到输出端;2)输出频谱十分丰富，不能提供任何隔离，输出频谱十分丰富，不能提供任何隔离，也不能提供混频增益。除了产生所需的混也不能提供混频增益。除了产生所需的混频结果外，还含有大量的组合频率分量频结果外，还含有大量的组合频率分量。3.5
19、.1 无源混频器无源混频器例例3.5.1求二极管平衡混频器输出的中频电压求二极管平衡混频器输出的中频电压uo表达表达式，设本振电压足够大，即式，设本振电压足够大，即ULmURm。二极管平衡混频电路二极管平衡混频电路3.5.1 无源混频器无源混频器例例3.5.2二极管环形混频器电路如图所示，设本振二极管环形混频器电路如图所示，设本振电压足够大，即电压足够大，即ULm URm。求求:输出电压输出电压uo(t)表达式。表达式。二极管平衡混频电路二极管平衡混频电路3.5.1 无源混频器无源混频器 有源混频器的应用更为广泛，特别是在射频集成电有源混频器的应用更为广泛，特别是在射频集成电路（路（RFIC）
20、中。）中。可以提供混频增益，采用有源平衡非平衡转换电可以提供混频增益，采用有源平衡非平衡转换电路，易于集成。路，易于集成。在有源混频器中，通常把射频电压转成电流信号，在有源混频器中，通常把射频电压转成电流信号，本振开关控制电流信号。本振开关控制电流信号。优点：优点：1)通过端接适当负载，可以获得一定的电压增益；通过端接适当负载，可以获得一定的电压增益；2)对本振的振幅要求降低；对本振的振幅要求降低；3)端口的隔离度更好，更适于低电压工作。端口的隔离度更好，更适于低电压工作。缺点：缺点：需要一定的偏置电流，带来了直流功耗和射频电压需要一定的偏置电流，带来了直流功耗和射频电压的直流分量，线性度也受
21、到了限制。的直流分量，线性度也受到了限制。3.5.2 有源混频器有源混频器单管混频器单管混频器电路结构电路结构单开关采样单开关采样电路实现电路实现混频功能混频功能 三极管混频电路三极管混频电路3.5.2 有源混频器有源混频器即由于该混频管和转移特性曲线具有良好的平方律即由于该混频管和转移特性曲线具有良好的平方律特点，因此特点，因此a1a2，a3a2，上述关系式可近似简，上述关系式可近似简化为化为ica0+a2u2be。三极管混频电路三极管混频电路3.5.2 有源混频器有源混频器 tAtUtUAAuuuuaauuaaiRLILLmRRmLRLRLRc)cos(2cos2cos2)(2220222
22、0220把把ube=uR+uL=URmcosRt+ULmcosLt，代入，代入ic ube 近似关系可得近似关系可得tUgtUUatAiIRmmcRLLmRmRLIIcos)cos()cos(2|2RLILmmcUag变频跨导变频跨导三极管混频电路三极管混频电路3.5.2 有源混频器有源混频器三极管单平衡混频电路（三极管单平衡混频电路（SBM,Single Balanced Mixer）3.5.2 有源混频器有源混频器3cos31cos4)cos()()cos()(2tttUtKtUtULLRRmLRRmLo)cos()cos(2ttULRLRRm本振信号的开关函数为双向开关函数本振信号的开关
23、函数为双向开关函数K2(Lt)。单平衡混频器输出电压为：单平衡混频器输出电压为：其中二次乘积项为其中二次乘积项为 无直流馈通无直流馈通|R R p p L L|单平衡混频电路单平衡混频电路3.5.2 有源混频器有源混频器吉尔伯特单元吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路混频电路3.5.2 有源混频器有源混频器TLCTLCCCCCCCCCoutUuiUuiiiiiiiiii2tanh2tanh)()()()(2156436453输出电流为输出电流为 TRTLEEoutUuUuIi2tanh2tanh吉尔伯特单元吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路混频电路3.5.2 有源混频
24、器有源混频器 在接收机的设计中，理想情况下前级电路在接收机的设计中，理想情况下前级电路输出阻抗和后级电路的输入阻抗相等；输出阻抗和后级电路的输入阻抗相等；实际情况中往往前后级电路间的阻抗不匹实际情况中往往前后级电路间的阻抗不匹配；配；噪声系数级联公式中的功率增益与电压增噪声系数级联公式中的功率增益与电压增益不等，需要重新计算功率增益。益不等，需要重新计算功率增益。3.6 混频器的级联混频器的级联3.6.1 带混频器的级联系统噪声系数的计算带混频器的级联系统噪声系数的计算 混频器与负载（通常为滤波器）连接时，可以直混频器与负载（通常为滤波器）连接时，可以直接连接；接连接；若对隔离或负载阻抗的匹配
25、有要求，可以对混频若对隔离或负载阻抗的匹配有要求，可以对混频器端接。器端接。基极放大器，输入基极放大器，输入阻抗阻抗Zin=1/gm 共集组态，输出电阻小，共集组态，输出电阻小，隔离度较好。隔离度较好。3.6 混频器的级联混频器的级联3.6.2混频器端接混频器端接 平衡输出式混频器有很多优点，但大多数平衡输出式混频器有很多优点，但大多数LNA与与滤波器都是单端接口形式的。滤波器都是单端接口形式的。为了减小直接连接对增益的影响，通常采用平衡为了减小直接连接对增益的影响，通常采用平衡非平衡（非平衡（Balance-Unbalance）网络，称为）网络，称为“巴仑巴仑”（Balum），将混频器输出的
26、差分信号），将混频器输出的差分信号转换成单端形式。转换成单端形式。目前在混频器中大多数使用的巴仑为无源器件，目前在混频器中大多数使用的巴仑为无源器件，常用常用LC网络与变压器构成网络与变压器构成。3.6 混频器的级联混频器的级联3.6.3 平衡非平衡转换平衡非平衡转换 单端到差分双端单端到差分双端（非平衡平衡）（非平衡平衡）LC转换电路转换电路差分双端到单端差分双端到单端（平衡非平衡）（平衡非平衡）LC转换电路转换电路 3.6 混频器的级联混频器的级联3.6.3 平衡非平衡转换平衡非平衡转换本章小结本章小结 理想混频的基本原理是两余弦信号相乘产生角频理想混频的基本原理是两余弦信号相乘产生角频率的率的“和和”与与“差差”。混频器的线性时变工作状态，是使混频器输出频混频器的线性时变工作状态，是使混频器输出频谱中无用组合频率分量减少的一种有效措施。谱中无用组合频率分量减少的一种有效措施。消除无用组合频率的另一种有效方法是采用平衡消除无用组合频率的另一种有效方法是采用平衡电路结构，用平衡对称电路来抵消部分无用组合电路结构，用平衡对称电路来抵消部分无用组合频率分量。频率分量。混频失真与干扰的种类有镜像频率干扰、交叉调混频失真与干扰的种类有镜像频率干扰、交叉调制失真、三阶互调干扰、组合频率干扰等等。制失真、三阶互调干扰、组合频率干扰等等。
