目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是幫助理解有源混頻器的基本概念。

背景知識(shí)

混頻器是一種具備調(diào)制或解調(diào)功能的三端口器件，主要分為無源和有源兩種類型?；祛l器的核心功能是在改變信號(hào)頻率的同時(shí)，保留原始信號(hào)的所有其他特性。有源混頻器與無源混頻器的關(guān)鍵區(qū)別在于，有源混頻器會(huì)采用有源器件來提供轉(zhuǎn)換增益。

圖1.混頻器的符號(hào)表示

如圖1所示，混頻器的輸出有兩種形式。混頻器接收兩個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)，輸出一個(gè)頻率信號(hào)；從圖中可見，輸出頻率既可以是兩個(gè)輸入頻率的和頻，也可以是兩者的差頻。這些頻率分別與如下之一對(duì)應(yīng)：本地振蕩器頻率(LO)、射頻頻率(RF)和中頻頻率(IF)。

混頻器的主要用途是實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程可分為上變頻和下變頻兩類。其中，LO端口始終為輸入端口；而RF端口和IF端口的角色則取決于具體應(yīng)用場景，既可作為輸入端口，也可作為輸出端口。在下變頻混頻器中，另一個(gè)輸入端口為RF端口，輸出則是頻率更低的IF信號(hào)（如圖2a所示）。

圖2.(a)下變頻混頻器示意圖；(b)上變頻混頻器示意圖

在上變頻混頻器中，另一個(gè)輸入是IF，輸出則是RF信號(hào)，如圖2b所示。

材料

?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?無焊試驗(yàn)板和跳線套件

?兩個(gè)1 kΩ電阻

?兩個(gè)6.8 kΩ電阻

?一個(gè)OP37精密運(yùn)算放大器

?一個(gè)LTC1043精密開關(guān)電容模塊

?三個(gè)N通道MOSFET（2-ZVN3310，1-ZVN2210A）

單平衡有源混頻器

混頻器還可分為單平衡混頻器與雙平衡混頻器，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

單平衡混頻器常稱為“平衡混頻器”，這種混頻器類型僅能抑制LO信號(hào)或RF信號(hào)中的一種，而非同時(shí)抑制這兩種信號(hào)。這種混頻器的應(yīng)用較為少見，因?yàn)樗鼘?duì)輸入LO信號(hào)中的噪聲較為敏感。主要缺點(diǎn)是存在IF-LO串?dāng)_現(xiàn)象，即當(dāng)IF信號(hào)頻率與LO信號(hào)頻率相差不大時(shí)，LO信號(hào)可能會(huì)泄漏到IF信號(hào)中。單平衡混頻器的簡易電路如圖3所示。

圖3.單平衡混頻器

硬件設(shè)置

按照?qǐng)D4所示，構(gòu)建以下試驗(yàn)板連接。

程序步驟

使用信號(hào)發(fā)生器W1和W2作為混頻器的頻率輸入。對(duì)于LO頻率，使用W1并將其設(shè)置為5 V、210 kHz的正弦波。對(duì)于RF輸入，則使用W2。在進(jìn)行上變頻混頻時(shí)，

圖4.單平衡混頻器試驗(yàn)板連接

W2的頻率應(yīng)低于LO頻率，因此將W2設(shè)置為5 V、25 kHz的正弦波。預(yù)期輸出頻率為185 kHz和235 kHz。模擬通道Ch2用于監(jiān)測RF輸入信號(hào)W2，而Ch1則通過頻譜分析儀監(jiān)測IF輸出信號(hào)。結(jié)果如圖5a所示。

圖5.(a)上變頻頻譜圖；(b)下變頻頻譜圖

進(jìn)行下變頻混頻時(shí)，將W2設(shè)置為5 V、260 kHz的正弦波；這將作為混頻器的RF輸入。預(yù)期輸出頻率為50 kHz，頻譜結(jié)果應(yīng)類似于如圖5b所示。

基于LTC1043實(shí)現(xiàn)的單平衡有源混頻器

背景知識(shí)

理想情況下，若要實(shí)現(xiàn)混頻器低噪聲、高線性度的目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能響應(yīng)LO輸入信號(hào)、實(shí)現(xiàn)極性切換功能的電路。因此，混頻器可以簡化為圖6所示形式：RF信號(hào)被分為同相(0°)分量與反相(180°)分量；一個(gè)由LO信號(hào)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，會(huì)交替選擇同相信號(hào)與反相信號(hào)輸出。因此，從本質(zhì)上簡化來看，理想的混頻器可建模為一個(gè)符號(hào)開關(guān)。

圖6.理想的開關(guān)混頻器

仿真

為演示混頻原理，可采用圖6所示的理想開關(guān)混頻器。該混頻器可通過LTC1043 CMOS模擬開關(guān)構(gòu)建，這是一款單芯片、電荷平衡的雙通道開關(guān)電容儀表級(jí)構(gòu)建模塊。其內(nèi)部的一對(duì)開關(guān)會(huì)交替執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作：先將外部電容連接至輸入電壓，再將充好電的電容連接至輸出端口?；祛l器內(nèi)置了一個(gè)時(shí)鐘，其頻率可通過外接電容調(diào)節(jié)：若未在引腳Cosc連接電容，內(nèi)部振蕩器頻率將為210 kHz；若外接39 pF電容（元件套件中最小容量的電容），LTC1043內(nèi)部振蕩器頻率則會(huì)變?yōu)?0 kHz。本次仿真基于“Cosc引腳未接電容”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

圖7.基于LTC1043的開關(guān)混頻器

圖7展示了LTspice®中的電路，該電路也可通過硬件元件在試驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)。我們使用LTC1043第一組開關(guān)的輸入端。輸入信號(hào)將由信號(hào)發(fā)生器的通道1生成，并連接至引腳S1A。為獲取該輸入信號(hào)的反相版本，我們構(gòu)建了一個(gè)簡單的單位增益反相放大器，并將其輸出連接至引腳S2A。輸出可在引腳CA+處觀測，需通過示波器的通道2正極進(jìn)行監(jiān)測。若要實(shí)現(xiàn)下變頻混頻器，需將信號(hào)發(fā)生器通道1的頻率設(shè)置為高于振蕩器的頻率（例如250 kHz）。此時(shí)輸出頻率為這兩個(gè)頻率的差值，即40 kHz。參見圖8。

圖8.下變頻混頻器的FFT分析圖

若將信號(hào)發(fā)生器通道1的頻率設(shè)置為60 kHz，混頻器輸出將包含兩個(gè)頻率分量：一個(gè)為和頻(fLo + fin = 270 kHz)，另一個(gè)為差頻(fLo–fin = 150 kHz)。上變頻混頻器的FFT分析圖可參見圖9。

圖9.上變頻混頻器的FFT分析圖

雙平衡混頻器或吉爾伯特單元

雙平衡混頻器主要用于避免輸出信號(hào)中出現(xiàn)LO產(chǎn)物。這種結(jié)構(gòu)需包含兩個(gè)單平衡混頻器電路，配備兩個(gè)并聯(lián)連接的差分RF晶體管，形成一對(duì)反向并聯(lián)的開關(guān)對(duì)。LO產(chǎn)物項(xiàng)會(huì)被抵消，且輸出信號(hào)中的RF信號(hào)幅度也會(huì)加倍。這種結(jié)構(gòu)的LO與IF之間具有高隔離度，有助于降低混頻后信號(hào)濾波環(huán)節(jié)的性能要求。在噪聲方面，由于采用了差分RF信號(hào)，這類混頻器比單平衡混頻器的抗噪聲能力更強(qiáng)。該類型混頻器也被稱為吉爾伯特單元。參見圖10。

圖10.吉爾伯特單元結(jié)構(gòu)

從電路中可觀察到，吉爾伯特單元混頻器具有高度對(duì)稱性。這種對(duì)稱性不僅能實(shí)現(xiàn)電路平衡，還能在輸出端抑制LO和RF信號(hào)。在使用分立元件的系統(tǒng)中，吉爾伯特單元的應(yīng)用并不廣泛，原因是其所需的元件數(shù)量較多；但對(duì)于集成電路而言，吉爾伯特單元混頻器是理想之選。因?yàn)樵诩呻娐分校?shù)量并非關(guān)鍵考量因素，且這種混頻器無需變壓器或其他電感器等繞制元件，同時(shí)還能提供高水平的性能。

LTspice仿真

由于元件套件中提供的元件數(shù)量不足以構(gòu)建該電路，因此我們轉(zhuǎn)而在LTspice軟件中對(duì)電路進(jìn)行仿真。仿真所需的LTspice文件可從GitHub上的LTspice教育工具下載。圖11展示了該電路的IF輸出信號(hào)，此結(jié)果由IF正、負(fù)輸出差值計(jì)算得出。

圖11.吉爾伯特單元的LTspice仿真圖。

基于LTC1043實(shí)現(xiàn)的雙平衡有源混頻器。

雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)單平衡電路。我們可以利用LTC1043構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鄠€(gè)開關(guān)，能夠提供所需的反向并聯(lián)開關(guān)對(duì)。圖12所示為該電路的原理圖。電路及其連接方式基本相同，僅第二組開關(guān)（S3A、S4A）的輸入端與第一組開關(guān)（S1A、S2A）的輸入端反向連接。在這種情況下，可通過示波器的通道2正極（連接至CA+引腳）和通道2負(fù)極（連接至CA–引腳）觀測輸出信號(hào)。

圖12.基于LTC1043的雙平衡混頻器

為分析下變頻結(jié)構(gòu)，需將信號(hào)發(fā)生器通道1設(shè)置為頻率250 kHz、峰峰值1 V的正弦波。下變頻的FFT分析結(jié)果如圖13所示。

圖13.下變頻FFT分析圖

對(duì)于上變頻，信號(hào)發(fā)生器通道1生成的正弦波頻率需低于LTC1043內(nèi)部振蕩器的頻率（例如50 kHz）。該頻率下的FFT分析結(jié)果如圖14所示。

圖14.上變頻FFT分析圖

問題

相較于單平衡混頻器，使用雙平衡混頻器（吉爾伯特單元）的主要優(yōu)勢是什么？

在有源混頻器的實(shí)現(xiàn)中，LTC1043起到什么作用？

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