目標(biāo)

本實驗的目標(biāo)是幫助理解有源混頻器的基本概念。

背景知識

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頻率的同時，保留原始信號的所有其他特性。有源混頻器與無源混頻器的關(guān)鍵區(qū)別在于，有源混頻器會采用有源器件來提供轉(zhuǎn)換增益。

圖1.混頻器的符號表示

如圖1所示，混頻器的輸出有兩種形式?；祛l器接收兩個不同頻率的輸入信號，輸出一個頻率信號；從圖中可見，輸出頻率既可以是兩個輸入頻率的和頻，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，另一個輸入端口為RF端口，輸出則是頻率更低的IF信號（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，另一個輸入是IF，輸出則是RF信號，如圖2b所示。

材料

? ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

? 無焊試驗板和跳線套件

? 兩個1 kΩ電阻

? 兩個6.8 kΩ電阻

? 一個OP37精密運算放大器

? 一個LTC1043精密開關(guān)電容模塊

? 三個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。

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信號或RF信號中的一種，而非同時抑制這兩種信號。這種混頻器的應(yīng)用較為少見，因為它對輸入LO信號中的噪聲較為敏感。主要缺點是存在IF-LO串?dāng)_現(xiàn)象，即當(dāng)IF信號頻率與LO信號頻率相差不大時，LO信號可能會泄漏到IF信號中。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

按照圖4所示，構(gòu)建以下試驗板連接。

程序步驟

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

圖4.單平衡混頻器試驗板連接

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W2，而Ch1則通過頻譜分析儀監(jiān)測IF輸出信號。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，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實現(xiàn)的單平衡有源混頻器

背景知識

理想情況下，若要實現(xiàn)混頻器低噪聲、高線性度的目標(biāo)，需要設(shè)計一個能響應(yīng)LO輸入信號、實現(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信號被分為同相(0°)分量與反相(180°)分量；一個由LO信號驅(qū)動的轉(zhuǎn)換開關(guān)，會交替選擇同相信號與反相信號輸出。因此，從本質(zhì)上簡化來看，理想的混頻器可建模為一個符號開關(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)電容儀表級構(gòu)建模塊。其內(nèi)部的一對開關(guān)會交替執(zhí)行兩個動作：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)置了一個時鐘，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板上實現(xiàn)。我們使用LTC1043第一組開關(guān)的輸入端。輸入信號將由信號發(fā)生器的通道1生成，并連接至引腳S1A。為獲取該輸入信號的反相版本，我們構(gòu)建了一個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C_A+處觀測，需通過示波器的通道2正極進(jìn)行監(jiān)測。若要實現(xiàn)下變頻混頻器，需將信號發(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）。此時輸出頻率為這兩個頻率的差值，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頻率分量：一個為和頻(f_Lo + f_in = 270 kHz)，另一個為差頻(f_Lo–f_in = 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中出現(xiàn)LO產(chǎn)物。這種結(jié)構(gòu)需包含兩個單平衡混頻器電路，配備兩個并聯(lián)連接的差分RF晶體管，形成一對反向并聯(lián)的開關(guān)對。LO產(chǎn)物項會被抵消，且輸出信號中的RF信號幅度也會加倍。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，這類混頻器比單平衡混頻器的抗噪聲能力更強。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稱性。這種對稱性不僅能實現(xiàn)電路平衡，還能在輸出端抑制LO和RF信號。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；但對于集成電路而言，吉爾伯特單元混頻器是理想之選。因為在集成電路中，元件數(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，此結(jié)果由IF正、負(fù)輸出差值計算得出。

圖11.吉爾伯特單元的LTspice仿真圖

基于LTC1043實現(xiàn)的雙平衡有源混頻器。

雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)需要兩個單平衡電路。我們可以利用LTC1043構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)，因為它包含多個開關(guān)，能夠提供所需的反向并聯(lián)開關(guān)對。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C_A+引腳）和通道2負(fù)極（連接至C_A–引腳）觀測輸出信號。

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

對于上變頻，信號發(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

1. 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？

2. 在有源混頻器的實現(xiàn)中，LTC1043起到什么作用？

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

作者簡介

Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負(fù)責(zé)為Linux和無操作系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)嵌入式軟件，同時從事ADI教學(xué)項目、QA自動化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有巴比什-波雅依大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，以及克盧日-納波卡技術(shù)大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。