【導讀】本實驗將借助ADALM2000平ping台tai深shen入ru探tan索suo有you源yuan混hun頻pin器qi的de核he心xin原yuan理li與yu應ying用yong特te性xing。作zuo為wei具ju備bei頻pin率lv轉zhuan換huan功gong能neng的de三san端duan口kou電dian路lu
，有you源yuan混hun頻pin器qi通tong過guo內nei置zhi晶jing體ti管guan等deng有you源yuan元yuan件jian
，在zai實shi現xian射she頻pin與yu中zhong頻pin信xin號hao變bian換huan的de同tong時shi提ti供gong顯xian著zhu的de轉zhuan換huan增zeng益yi

，這zhe一yi特te性xing使shi其qi在zai通tong信xin收shou發fa係xi統tong中zhong具ju有you關guan鍵jian價jia值zhi。

目標

本實驗的目標是幫助理解有源混頻器的基本概念。

背景知識

本實驗將借助ADALM2000平ping台tai深shen入ru探tan索suo有you源yuan混hun頻pin器qi的de核he心xin原yuan理li與yu應ying用yong特te性xing。作zuo為wei具ju備bei頻pin率lv轉zhuan換huan功gong能neng的de三san端duan口kou電dian路lu，有you源yuan混hun頻pin器qi通tong過guo內nei置zhi晶jing體ti管guan等deng有you源yuan元yuan件jian，在zai實shi現xian射she頻pin與yu中zhong頻pin信xin號hao變bian換huan的de同tong時shi提ti供gong顯xian著zhu的de轉zhuan換huan增zeng益yi，這zhe一yi特te性xing使shi其qi在zai通tong信xin收shou發fa係xi統tong中zhong具ju有you關guan鍵jian價jia值zhi。

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。混頻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：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頻率轉換

，轉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端口的角色則取決於具體應用場景，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主動學習模塊

•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製LO信號或RF信號中的一種，而非同時抑製這兩種信號。這種混頻器的應用較為少見
，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串擾現象，即當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

硬件設置

按照圖4所示，構建以下試驗板連接。

程序步驟

使用信號發生器W1和W2作為混頻器的頻率輸入。對於LO頻率
，使用W1並將其設置為5 V、210 kHz的正弦波。對於RF輸入，則使用W2。在進行上變頻混頻時
，

圖4.單平衡混頻器試驗板連接

W2的頻率應低於LO頻率
，因此將W2設置為5 V、25 kHz的正弦波。預期輸出頻率為185 kHz和235 kHz。模擬通道Ch2用於監測RF輸入信號W2
，而Ch1則通過頻譜分析儀監測IF輸出信號。結果如圖5a所示。

圖5.(a)上變頻頻譜圖
；(b)下變頻頻譜圖

進行下變頻混頻時，將W2設置為5 V、260 kHz的正弦波

；這將作為混頻器的RF輸入。預期輸出頻率為50 kHz，頻譜結果應類似於如圖5b所示。

基於LTC1043實現的單平衡有源混頻器

背景知識

理想情況下
，若要實現混頻器低噪聲
、高線性度的目標
，需要設計一個能響應LO輸入信號、實現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信號驅動的轉換開關，會交替選擇同相信號與反相信號輸出。因此
，從本質上簡化來看，理想的混頻器可建模為一個符號開關。

圖6.理想的開關混頻器

仿真

為演示混頻原理，可采用圖6所示的理想開關混頻器。該混頻器可通過LTC1043 CMOS模擬開關構建，這是一款單芯片

、電荷平衡的雙通道開關電容儀表級構建模塊。其內部的一對開關會交替執行兩個動作：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。混頻器內置了一個時鍾，其頻率可通過外接電容調節：若未在引腳Cosc連接電容，內部振蕩器頻率將為210 kHz；若外接39 pF電容（元件套件中最小容量的電容），LTC1043內部振蕩器頻率則會變為80 kHz。本次仿真基於“Cosc引腳未接電容”的結構進行。

圖7.基於LTC1043的開關混頻器

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。我們使用LTC1043第一組開關的輸入端。輸入信號將由信號發生器的通道1生成，並連接至引腳S1A。為獲取該輸入信號的反相版本，我們構建了一個簡單的單位增益反相放大器，並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正極進行監測。若要實現下變頻混頻器，需將信號發生器通道1的頻率設置為高於振蕩器的頻率（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

若將信號發生器通道1的頻率設置為60 kHz，混頻器輸出將包含兩個頻率分量：一個為和頻(fLo + fin = 270 kHz)，另一個為差頻(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於避免輸出信號中出現LO產物。這種結構需包含兩個單平衡混頻器電路，配備兩個並聯連接的差分RF晶體管，形成一對反向並聯的開關對。LO產物項會被抵消
，且輸出信號中的RF信號幅度也會加倍。這種結構的LO與IF之間具有高隔離度，有助於降低混頻後信號濾波環節的性能要求。在噪聲方麵

，由於采用了差分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.吉爾伯特單元結構

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電路平衡，還能在輸出端抑製LO和RF信號。在使用分立元件的係統中
，吉爾伯特單元的應用並不廣泛，原因是其所需的元件數量較多；但(dan)對(dui)於(yu)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)而(er)言(yan)，吉(ji)爾(er)伯(bo)特(te)單(dan)元(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi)是(shi)理(li)想(xiang)之(zhi)選(xuan)。因(yin)為(wei)在(zai)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)中(zhong)
，元(yuan)件(jian)數(shu)量(liang)並(bing)非(fei)關(guan)鍵(jian)考(kao)量(liang)因(yin)素(su)，且(qie)這(zhe)種(zhong)混(hun)頻(pin)器(qi)無(wu)需(xu)變(bian)壓(ya)器(qi)或(huo)其(qi)他(ta)電(dian)感(gan)器(qi)等(deng)繞(rao)製(zhi)元(yuan)件(jian)，同(tong)時(shi)還(hai)能(neng)提(ti)供(gong)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)性(xing)能(neng)。

LTspice仿真

由於元件套件中提供的元件數量不足以構建該電路，因此我們轉而在LTspice軟件中對電路進行仿真。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，此結果由IF正
、負輸出差值計算得出。

圖11.吉爾伯特單元的LTspice仿真圖。

基於LTC1043實現的雙平衡有源混頻器。

雙平衡混頻器結構需要兩個單平衡電路。我們可以利用LTC1043構建這種結構，因為它包含多個開關，能夠提供所需的反向並聯開關對。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（S3A、S4A）的輸入端與第一組開關（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負極（連接至CA–引腳）觀測輸出信號。

圖12.基於LTC1043的雙平衡混頻器

為分析下變頻結構，需將信號發生器通道1設置為頻率250 kHz、峰峰值1 V的正弦波。下變頻的FFT分析結果如圖13所示。

圖13.下變頻FFT分析圖

對於上變頻，信號發生器通道1生成的正弦波頻率需低於LTC1043內部振蕩器的頻率（例如50 kHz）。該頻率下的FFT分析結果如圖14所示。

圖14.上變頻FFT分析圖

推薦閱讀：

技術雙雄聯手！逐點半導體與數字光芯共推Micro LED投影芯片升級

威世科技再傳捷報


，Ametherm係列NTC熱敏電阻成功通過UL認證

汽車繼電器：確保車輛電氣安全的隱形守護者

再獲認證！兆易創新GD32F5/G5係列STL測試庫通過IEC 61508 SIL 2/3安全標準

榮耀Magic 8係列亮出“護眼王牌”：首發艾邁斯歐司朗新技術，打造極致視覺安全體驗