三极管混频器

1.三极管混频器的设计内容及要求

1.1设计内容

在本次通信电子线路课程设计中我采用了Multisim仿真软件对三极管混频器进行设计及绘制，并模拟仿真，在仿真的基础上再做了实物。从理论上对电路进行了分析。选择合适的元器件，设计出满足要求的三极管混频器。

1.2设计要求

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。

1.3设计框图及原理说明

1.3.1混频原理框图

混频器是一种典型的线性时变参数电路，要完成频谱的线性搬移，关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。如下图1.1为混频器的组成电路，它由非线性器件、本地振荡器和带通滤波器组成。

图1.1 混频工作原理

1.3.2混频原理说明

混频电路输入的是载频为fc的高频已调波信号ui（t）和频率为fr的本地振荡信号ur(t),经过非线性器件变频后输出端有两个信号的差频（fr-fc）、和频

（fr+fc）及其他频率分量，再经滤波器滤掉不需要的频率分量，取差频（或和频）

fI作为中频已调波信号u（,即中频fI=(fr-fc),或fI=(fr+fc),从而实现变频作用。It）通常从输出端取出差频的混频称为下混频，而取出和频的混频称为上混频。

本次课程设计我的电路是用10MHZ的交流信号电压源、本振电路（产生16.455MHZ）、三极管混频器电路以及选频电路组成。信号源所产生的10MHZ的正弦波与本振电路所产生的16.455MHZ正弦波通过三极管进行混频后产生和

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频、差频信号及其它频率信号，然后通过滤波网络滤掉不需要的频率分量，取出差频（6.455MHZ）的信号，即为所需的6.455MHZ信号。错误！未指定书签。

2．设计电路及原理与仿真

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2.1本地振荡电路

本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号，

2.1.1振荡起振条件

正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图2.1所示即为LC三点式反馈式振荡器的原理图。通过我们对高频电路的学习知道，三点式振荡器的构成法则是：X1与X2的符号相同，与X3的符号则相反。凡是违反这一准则的电路不能产生振荡（射同它异）。

图2.1 LC三点式反馈式振荡器的原理图

2.1.2电路及电路参数选择

如图2.2示，此次设计的本振电路采用的是西勒振荡器，它是改进型电容三点式振荡器，其主要特点是在回路电感L两端并联了可变电容C4,而C3为固定值电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，回路总等效电容为

C1(1C11C21C3)C4C3C4……………………2.1

振荡频率为

f12LC12LC3C4……………………….2.2

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图2.2 本振电路（西勒振荡器）

图2.3 交流等效电路

据西勒振荡电路的特点，C3的大小对电路性能有很大影响。因为频率是靠调节C4来改变的，所以C3不能过大，否则振荡频率主要由C3和L决定，因为将频率调节的范围。此外，C3过大也不利于消除晶体管极间电容的影响。

在西勒振荡器中，L和C1~C4的值可用式（1.1）计算出，不过若L与C的比值太小的话，在低频下难以振荡。有大致的标准，即振荡频率为1MHZ时，L在10uH以上；10MHZ时L>1uH。另需注意C1、C2的大小，若C2/C1太小，波形就会受，同事也会增加输出波形中的高次谐波。反之，若太大，不能够完全补偿振荡电路的损耗而停振。

又由于本电路要产生16.455MHZ的信号，所以f0=16.455MHZ

即f12CL =16..455MHZ

综上所述，可以取值C1=60PF,C1=120PF,C3=30PF,C4=18PF,L2=2.5uH.

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其它主要器件的参数如下，C5=300pF为基极耦合电容，R3100用来射极电流，R1=12K,R2=2K为基极偏置电阻，用来给三极管确定一个合适的静态工作点，L1为高频扼流圈。

2.1.3电路仿真

图2.4 本振信号波形

图2.5 本振信号频率

由仿真效果挺稳定，验证了西勒振荡器稳定性好波段范围内输出电压幅度比

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较平稳的特点。此前我也用了克拉泼振荡器做本振，发现效果没西勒稳定。

2.2混频电路

三极管混频器的特点是电路简单，有较高的变频增益，要求本振电压幅度较小，在50~200 之间 （当信号电压较大时会产生非线性失真）。

2.2.1混频原理电路

图2.6 晶体管混频电路原理图

三极管混频电路的形式与小信号谐振放大器相似，其差别有两点：输入、输出回路调谐在不同频率上；增加了本振电压的注入电路。晶体管混频器的工作原理电路如图2.6所示。

图中，直流偏置VBB、本振电压v0和信号电压vs都加在晶体管的基极和发射机之间，一般情况下,0m>>sm,也就是本振电压是大信号，而输入信号电压为小信号。根据线性时变电路分析法可知，在一个大信号v0和一个小信号vs同时作用于非线性器件时，晶体管可看作是小信号工作点随大信号变化而变化的线性参变元件，当高频信号通过线性参变元件时，便产生各种频率分量，达到混频的目的。

设Us(t)为输入信号，Uo(t)为本振信号。Ui(t)输出信号。 分析：当Us(t)Usmcosst

则Ui(t)Us(t)UO(t)= U sm cosstUOm cosOt= U cosstcosOt 其中：UUsmUOm 对上式进行三角函数的变换则有

Os)tcos(O-s)t] Uit1U cosstcosOt=12U [cos(由此可知，经滤波后，输入信号、本振信号及输出信号都为正弦波信号。

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图2.7 晶体管混频器的基本电路形式

2.2.2晶体管混频电路类型

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，有图2.7所示的四种基本电路。图中（a）和（b）为共射混频电路。图（a）信号电压、本振电压都由基极注入。图（b）表示信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。图（c）、（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、本振电压都由基极注入。这四种电路组态各有其优缺点。

图（a）电路对信号电压来说是共射电路，输入阻抗较大，变频增益大，因此用做混频时，本地振荡电路负载较轻，容易起振，需要的本振注入功率也较小。但因为信号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。当ωs与ω0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注入，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，其输入阻抗较小，使本振负载较重，虽不易起振但也不易过激，因此振荡波形好，失真小。但需要较大的本振注入功率；不过通常所须功率也只有几十毫瓦，本振电路是完全可以供给的。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。在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此一般都不采用这两种电路。但在较高的频率工作时（几十MHz），因为共基电路的f比共发电路的f要大很多，所以变频增益较大。因此在较高频率工作时也有采用这种电路的。

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2.2.3设计电路及电路参数选择

根据对晶体管混频器的电路形式的分析，此次设计采用的是图2.7（b）图。 如图2.8为晶体管混频器的设计电路。电路的输入信号（用10MHZ的信号源代替）与本振电压分别从基极输入和发射极注入。该电路主要由Q2 和6.4555MHz 选频回路（图2.9）组成。

图2.8 晶体三极管混频电路

图2.9 选频电路

在高频放大器或振荡器中,由于某种原因,会产生不需要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。介绍小信号放大器稳定性时所说的自激,即属于寄生振荡，为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生振荡，在设计电路时加入了C10、C2、L5。而在信号源连接处加一电容是为了滤波用，如C3、C7、C4。R1、R3、

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R4用来确定静态工作点，通过改变电阻R4的值来改变混频器晶体工作点，使其工作在合适的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。

而选频电路的取值：f12CL =6.455MHZ

倒推可得：CL=607.921018FH

从而通过对结合仿真效果，可取L=3uH,C=200pF。

2.2.4 电路仿真及调试

图2.10 R4=5K时输出的波形

图2.11 R4=5K时的输出频率

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从仿真结果看稍有失真，猜测可能是静态工作点调制不是很理想此时的R4=5 K，所以通过对滑动变阻器R4的调试，应该可以取到最大不失真信号。 即当R4=6.1 K时，波形如下图2.12所示，明显的失真更小，而当R4=8 K时，波形如图2.13示，波形又开始失真，所以，当R4=6.1 K时，工作状态最好。

图2.12 R4=6.1 K时的输出波

图2.13 R4=8 K时的输出波形

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总结

本次课程设计主要应用了通信电子线路中三方面内容，分别是电容三点式振荡电路、晶体管混频器和选频电路。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。

本次设计通过先复习混频电路的原理，然后选择电路，计算关键元件的值，学习Multisim的使用，最后连线调试出预期的混频和滤波效果,然后做出实际电路。其中虽然遇到了很多困难，但通过查找资料与思考，终于解决了相关问题。

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参考文献

［1］曹才开.《高频电子线路原理与实践》.2010年6月.第1版.中南大学出版社

［2］谢自美.《电子线路设计与实验测试》.第二版.华中科技大学.2010年 ［3］康华光.《电子技术基础模拟部分》.第五版.华中科技大学出版社.2005.7 ［4］曹才开.《电路分析基础》.第四版.北京.清华大学出版社.2009

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致谢

课程设计终于完成了，首先要感谢帮助过我的老师和同学，给予我极大的鼓励和支持，使我能一直有坚定的信心和饱满的热情来完成我的设计。在设计过程中虽然遇到了很多问题，老师和同学总是引导我去寻找引发问题的的原因并提出解决的问题的方法。

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． 总电路图 附录I

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2.PCB图

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3．Protel原理图

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附录II 元器件清单

1 三极管 BCV72 1个 2 滑动变阻器电阻 10k 1个 3 电阻 8k 1个 4 电阻 2k 2个 5 电容器 270pF 2个 6 电容器 33pF 2个 7 电容器 10nF 2个 8 电容器 1nF 1个 9 电容器 10uF 2个 10 电感 470uH 2个 11 电感 100uH 2个 2个 12 电感 2.2uH 18