第二章 频率变换电路分析基础
频率变换电路基础知识及作用 [收藏]
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频率变换电路基础知识及作用[收藏]
频率变换电路基础知识及作用
频率变换电路也称之为频率变频器(Converter)，为高频率电路独特的电路方式。
如大家所详知的超外差(Superheterodyne)方式，便为频率变换的一种方式。
频率变换电路可以将HF~VHF~UHF等的宽频带频率信号变换为任意的频率范围。
频率变换的的作用
频率变换电路为将输入信号变换为另外的频率的一种电路。
其构成如图l所示，假设输入信号频率为fs，局部振荡电路的振荡频率为fosc，则经过频率变换后，可以得到(fs+fosc)与(fs-fosc)的信号输出。
图1 频率变换电路的工作原理
(将二种信号合成，可以得到和或差的信号)
图2传送接收机的频率变换电路的作用
(此为可以将频率变换成为此原来频率更高或更低的频率，以便可以简单处理所需的信号频率。
)
图2所示的为在传送接收机内所使用的频率变换电路。
其中的(a)为在接收机所使用的频率变换电路，
称为超外差方式。
此为将天线所输入的高频率信号，经过频率变换电路变换成为中间频率(IF信号)。
为何要如此处理呢？如果将同一频率的高频率信号维持原状，一直放大，则在电路中，由于杂散结合等因素，会很容易产生振荡。
如果利用变频电路，将其改变成为频率较低的中间频率，则可以有效地使用滤波器，且可以改善选择度。
在图(b)的传送机中，在做调变工作原理时，所使用的载波频率不要太高，便可以维持电路的稳定。
另外，从滤波器的选择度观点来说，也希望所使用的调变为数MHz，也即是，载波频率较低些，然后经过率变换电路后，便可以达到所需要的频率。
电路基础原理交流电路中的频率与相位
电路基础原理交流电路中的频率与相位在电路基础原理的学习过程中，交流电路是一个重要的概念。
交流电路由于其频率与相位的变化，具有广泛的应用领域。
本文将从频率和相位两个方面来探讨交流电路的基础原理。
一、频率在交流电路中的作用频率是指交流电路中信号周期性变化的次数。
在交流电路中，频率的大小对电路的性能具有重要影响。
首先，频率与信号的传输速率密切相关。
高频率的信号传输速度较快，具有较快的数据传输能力。
因此，在现代通信系统中，高频率信号常常用于高速数据传输，如无线网络等。
其次，频率还与能量传输有关。
根据电路理论，传输功率等于电流平方与阻抗的乘积。
频率越高，电流平方的变化速度也越快，导致功率的增加。
因此，在要求高能量传输的领域，如电力系统中，使用高频率能够提高能量传输效率。
最后，频率还与信号的滤波效果相关。
交流电路中的滤波器可以根据信号频率的不同滤除或放行特定频率的信号。
通过控制输入信号的频率，滤波器可以实现对特定频率信号的选择性放大或抑制，从而达到滤波的目的。
二、相位在交流电路中的作用相位是指同一信号波形在某一时刻相对参考波形的时间差。
在交流电路中，相位的变化对电路的性能产生重要影响。
首先，相位可以用来描述信号之间的时间关系。
在多种信号共同作用的交流电路中，相位差的变化可以构成相位差矢量图，进而描述信号波形之间的相对位置和时间差。
通过调整相位差，可以实现信号的合成和分解，因此在信号处理和通信领域具有重要作用。
其次，相位差还可以用来描述电路中信号的相对延迟效应。
在电路中，不同元件之间存在着传导延迟，导致信号到达时间的差异。
通过控制信号的相位差，在电路中可以实现延迟或提前信号的效果，并且可以消除传导延迟对电路带来的影响。
最后，相位差还可以用来描述交流电路中的相位移动现象。
当信号通过电感、电容等元件时，信号的相位会发生变化，即相位移动。
通过控制电路中的元件参数可以实现相位移动的控制，从而实现对信号的相位调节和相位修正。
《频率变换电路》课件
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杂散抑制性能
总结词
杂散抑制性能是衡量频率变换电路性能的重要指标，它反映了电路抑制杂散信号的能力。
详细描述
杂散信号是指与所需输出信号无关的干扰信号，杂散抑制性能越好的频率变换电路，能够更好地抑制 杂散信号，提高输出信号的质量。杂散抑制性能的优劣直接影响到频率变换电路的性能和输出信号的 质量。
动态范围与线性度
实现方式
频率变换电路可以通过不同的方式实现，如通过RC电路、LC 电路、晶体管等元件实现。不同的实现方式具有不同的特点 和适用范围。
频率变换电路的应用场景
应用场景
频率变换电路广泛应用于通信、雷达、导航、电子对抗等领域。例如，在通信领域中，通过频率变换电路可以将 信号从低频搬移到高频，实现信号的传输和接收。在雷达和导航领域中，频率变换电路用于实现信号的调制和解 调，以实现对目标的探测和定位。
数字信号处理器的DDS技术
利用直接数字合成技术，产生任意波形和频 率的信号。
数字信号处理器的滤波器设计
利用数字滤波器对信号进行滤波处理，实现 特定频率范围的信号提取或抑制。
基于FPGA/ASIC的频率变换
FPGA/ASIC的定制设计
01
根据具体应用需求，定制具有特定功能的频率变换电路。
FPGA/ASIC的高速采样技术
《频率变换电路》PPT课件
目 录
• 频率变换电路概述 • 频率变换电路的类型 • 频率变换电路的实现方法 • 频率变换电路的性能指标 • 频率变换电路的设计与优化 • 频率变换电路的发展趋势与展望
频率变换电路.pptx
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Hale Waihona Puke 调幅波的基本性质第1页/共15页
7-1-1 频率变换基本原理
7-1-2 调幅概念
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思考题： 1.调制的含义是什么？分为哪三种基本方式？ 2.为什么要对无线发射的信号进行调制？分别要满足什么 条件？ 3.若有一音频信号在1KHZ～11KHZ范围内，问调制在1026KHZ上，频率范围是多少？ 4.画出单音频普通调幅、双边带、单边带调幅波的拼谱图。 5.调幅波中调制系数>1时，调幅波会发生什么变化？作业题： P176 7-2；7-3预习：调幅电路
频率变换电路基础共41页
频率变换电路基础
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
高频电路频率变换电路的特点及分析
虽然在线性放大电路里也使用了晶体管这一非线性器件, 但是必须采取一些措施来尽量避免或消除它的非线性效应或 频率变换效应, 而主要利用它的电流放大作用。 例如, 使小信 号放大电路工作在晶体管非线性特性中的线性范围内, 在丙 类谐振功放中利用选频网络取出输入信号中才有的有用频率 分量而滤除其它无用的频率分量, 等等。
其中UG是栅极直流
可见, 输出电流中除了直流和ωs这两个输入信号频率分 量之外, 只产生了一个新的2ωs频率分量。
例 5.2 知变容二极管结电容Cj与两端电压u的非线性关 系如图例5.2所示, 分析流经变容二极管的电流i与u之间的频 率变换关系, 并与线性电容器进行比较。
解：流经电容性元器件的电流i与其两端的电压u和存贮 的电荷q具有以下的关系式:
本章以晶体二极管伏安特性为例, 介绍了非线性元器件 频率变换特性的几ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分析方法,然后进一步介绍频率变换电路 的特点及实现方法。
5.2 非线性元器件频率变换特性的分析方法
5.2.1 指数函数分析法
晶体二极管的正向伏安特性可用指数函数描述为:
(5.2.1) 其中, 热电压UT≈26mV(当T=300K时)。 在输入电压u较小时, 式(5.2.1)与二极管实际特性是吻合的 , 但当u增大时, 二者有较大的误差, 如图5.2.1所示。所以指数 函数分析法仅适用于小信号工作状态下的二极管特性分析。
显然, 展开的泰勒级数必须满足收敛条件。
综上所述, 非线性元器件的特性分析是建立在函数逼近的 基础之上。当工作信号大小不同时, 适用的函数可能不同, 但 与实际特性之间的误差都必须在工程所允许的范围之内。
例 5.1 已知结型场效应管的转移特性可用平方律函数
表示，分析它的频率变换特性。 解：设输入电压 偏压，则输出电流为
频率变换电路原理及设计方法 [收藏]
频率变换电路原理及设计方法[收藏]Dual-Gate FET为利用G2电压而改变顺方向传达电导|yfs|。
利用此一特性，可以做乘算工作原理。
(利用局部振荡器的信号，改变FET的放大率，此为最基本的乘算电路。
)在图23中，例如VGS2的工作原理点的1V，于G2加入1Vp-p的信号fosc，则随着fosc振幅，|yfs|会在2mS～16mS间变化。
因此，放大率(×A倍)会随fosc振幅值而变化，fs的振幅会做A倍的变化。
如此，Dual-Gate FET可以当做乘算电路工作原理，而产生(fs－fosc)与(fs＋fosc）信号。
图24所示的为频率变换电路的原理图。
在如图(a)所示之由晶体管或FET所构成的乘算电路中，输入fs与fosc 二种频率信号时，由于此为不平衡型的频率变换电路，因此，输出会有(fs－fosc）,（fs＋fosc)，fs,fosc 四种频率成分。
此与DBM电路的最大不同点为，在输出也会出现载波成分fs与fosc。
DBM的Double Balanced的意思，便是fs，fosc不会出现在输出端。
图(b)所示的为利用Dual·GateFET构成频率变换电路的情形。
(此一方式的频率变换后的输出信号有4种，可以利用谐振电路只取出所希望的信号。
但是，如果此4种信号的频率太接近时，则很困难取出。
)由高频率放大电路所输出的信号加在闸极1(G1)，而由局部振荡电路所输出的信号加在闸极2(G2)，再由LC谐振电路取出所需要的fIF …… (fs－fosc)信号。
图25 频率变换电路的工作原理(要使频率变换效率提高，VG2S的大小很重要。
在FET的场合，G2的注入电压必须为数Vp-p。
)在实际的变换电路中，如图25所示，为了使VGS2=1V，其电阻值如下。
R5=220KΩ，R6=47KΩ，另外，加在G2上的高频率电压称之为注入电压，此可以利用修整电容器CT调整为0.5～1V。
高频电路原理与分析-第2章 高频电路基础
二、直导线的电感 例：直径0.644mm 长10cm ，电感量=0.106μh ,低频时可忽略； XL=2πfL，高频时，f 和等效L同时变大，不可忽略。
《高频电路原理与分析》
第2章 通信电路基础
§2-1-2 电感
电感线圈的分布电容和阻抗 特性曲线
重要：电感线圈的品质因数 QL=(ωL)/r 在一定范围内ω↑，r 也↑，品质因数QL近似常数。易于测量及 电路分析计算。 L↑或r↓, 可提高QL值 例：中波接收天线：采用多股纱包线 短波接收天线：采用镀银线 《高频电路原理与分析》
第2章 通信电路基础
b、频率特性分析 设：初级回路总阻抗为Z1，次 级回路总阻抗为Z2，两回路之 间的耦合阻抗为Zm，则两回 路方程为：
C1
C2
+
I1 Z1 I 2Z m E I1 Z m I 2 Z 2 0
_
E
I1 r1
L1
L2
I2
r2
2 Zm 整理上式，得右式 Z m ( Z1 ) Z2 I2 I1 2 Z 1Z 2 Z m
信号源的匹配: Rs=R0'
当 将R0折 算 到 信 号 源 两 端 时
n=M/L2
N1 紧耦合： n N2
《高频电路原理与分析》
第2章 通信电路基础
b、电容抽头部分接入电路
接入系数:
R
U n UT
1 C 1 C1 C1C 2 C1 C 2 1 C1 C 2
《高频电路原理与分析》
第2章 通信电路基础
负载部分接入电路——实现阻抗变换
N 23 接入系数： n N 13
将 RL 折 算 到 谐 振 回 路 两 端 ： 时 1 R 2 R L L n C1 接入系数： n C1 C 2 将 RL 折 算 到 谐 振 回 路 两 端 ： 时
高频电子线路第二版第2章高频基础电路
特性好的电阻，即需要根
据电路工作频率的高低选
500Ω金属膜电阻
用不同类型的电阻。
2020/5/11
电阻器是电子线路中最常用的无源元件之一。在 电子电路中，一个或多个电阻可构成降压或分压电路 用于有源器件的直流偏置，也可作为直流或电子电路 的负载电阻完成某些特定功能。
电阻的主要类型： 高密度碳介质合成的碳膜电阻； 鎳或其它材料的线绕电阻； 温度穏定材料的金属膜电阻； 铝或铍基材料薄膜片的表面贴装（SMD）电阻
之比
p VL V L
2020/5/11
根据定义，将电压比V L /V L 变换为变压器的线圈圈数 比(或容抗、感抗比), 则令p为
则变换关系为
RL
1 p2
RL
gL p2gL
X L
1 p2
XL
CL p2CL
2020/5/11
Ig pIg
U g
1 p
U
g
例1：
例2：
p N2 N1
2
RL
1 p2
将L2+ M和RL并联支路等效为串联支路,在 QL2 1条件下
,
(L2 M)
X不变R L , 为SQ 1 L 2 2R L R ,L 2 而/ 0 (L 1 2 M )2R L0 2 (L 2 R LM )2
2020/5/11
再将RLS与L1+L2+2M串联支路等效为并联支路, 在串 联支路的 Q 1条件下,等效后的电感值不变仍为 L1+L2+2M, 而电阻为
工作频率进入射频频段宜选用片式多层陶瓷电 容器、片式塑封交流瓷介电容器和片式有机薄膜电 容器。但电容器的电容值不一定是理想值。
射频电路中经常需要旁路、电源去耦滤波和射 频接地等辅助电路，通常可以利用电容器具有自谐 振频率的特点来实现。
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1、非线性元器件的基本特性
通信的基本任务就是实现信息的传输，而要完成这个任务，则必须依靠各种电子电路的协
调工作。组成电子电路的就是各种电子元件和电子器件。
在电子电路中大量使用的线性电阻的特点是，电阻两端的电压与通过电阻的电流成线性
关系，即满足欧姆定理，具有这种特点的元器件称为线性元器件，其伏安特性曲线如图所示。
的电路，要求Uy必须为正值，这就意味着乘法器只在两个象限内起作用，属于两象限相乘
器。
2、双差分模拟相乘器
两象限相乘器虽然能完成相乘作用，但要求在两个象限内工作，对许多通信设备来说，
这种限制是很苛刻的。大多数实际应用的相乘器应能在四个象限内工作。
图所示的电路为四象限变跨导相乘器，它是由两个差分放大器交叉耦合，并用第三个差
乘器的理想输出特性为：uo=K ux uy式中，K称为模拟相乘器的增益系数，又称相乘因子。模拟相乘器的符号如图所示。
1、差分电路的相乘特性
实现两个电压相乘的方案有很多种，其中以可变跨导相乘器最易集成，而且它的频带宽、
线性好、价格低、使用方便。可变跨导相乘器的核心单元是一个带有恒流源的差分电路。
带恒流源的差分电路
具有频率变换作用，而线性元器件没有。下面用实例予以说明。
图所示为角频率为ω的正弦交流电压信号分别加在一线性电阻R和二极管上所产生的流
经它的电流i的波形。
由图（a）可以看出，流过线性电阻R的电流i与加在其上的电压波形形状相同，也为
角频率为ω的正弦信号，即没有新的频率分量产生。
由图（b）可以看出，加在二极管上的电压为一正弦交流电压，而流过二极管的电流却为
江西赣州技师学院课时计划（教案）
课程名称：高频电子技术任课教师：钟文福教案序号：10
班级
08级电子信息工程班
授课时间
第周月日至月日
课题名称
线性时变电路及模拟乘法器
第单元第章第节
共课时
第课时
目
的
要
求
理解线性时变电路相关概念
掌握模拟乘法器
教
学
重
点
线性时变电路相关概念
模拟乘法器
教
学
难
点
线性时变电路相关概念
移，这类频谱搬移电路称为频谱的线性搬移电路
从图所示的频谱可以看出，在频谱搬移后，输出信号的频率分量与输入信号的频率分量
不尽相同，即有新的频率分量产生。而我们知道，线性电路并不产生新的频率成分，只有非
线性电路才会产生新的频率成分，即频谱搬移过程必须采用非线性电路才能实现。本章将介
绍非线性电路的频率变换作用及分析方法。
Uxm=Uym=10V，相乘因K=1/10。对于较小的输入信号，可先用线性放大器把信号放大到
足够大的数值，再送到相乘器。
④在要求较高的精密电路中应用时，外接电阻器和电位器均应采用温度系数小的精密金属
膜电阻器和线绕电位器，以减小温度变化引起的漂移。
⑤相乘器的相乘精度受到内部电路的元件特性和工艺技术的限制。
分放大器作为它们的射极电流源。这个电路最早是由Gilbert提出的，因此又叫Gilbert相乘
器，它是大多数集成相乘器的基础
对于图所示的电路，假定各个晶体管的特性是相同的，并略去其基极电流，则利用前面
的结果，可写出其差动输出电流为：
式表明了双差分模拟相乘器的相乘作用，且这个电路对Ux、Uy的极性不限，因此可
性电路，但它们的系数g（t）却是时变的，因此将这种来自作状态称为线性时变工作状态，具
有这种关系的电路称为线性时变电路。例如，晶体管混频器就属于这种电路
集成模拟相乘器
模拟相乘器是实现两个模拟信号瞬时值相乘功能的电路,它具有两个输入端和一个输出
端，是一个三端网络。若用Ux、Uy表示两个输入信号，用Uo表示输出信号，则模拟相
恒流可变差分放大器
式表明，差分电路具有相乘特性。如果采用图3.11所示的电路形式，将Ux作为VT1与VT2
的差模输入电压，将Uy作为控制恒流源的电压加到恒流晶体管VT3的基极
当|Uy|>>Ube3时，有
代入式可得： ，
差分放大器的输出电压Uo为：
式证明，差分放大器在输入信号Ux足够小且Uy>>Ube3时可完成相乘功能。但是，对于图
调节外接的调整电路可在很大程度上消除这类误差。
②晶体管基区电阻rbb′的存在，是使相乘器产生误差的最重要的原因。有了rbb′后，差
分对管电流关系式不能准确地描述晶体管的特性。并且，由此造成的误差很难在电路上采取
补偿措施。
③相乘器不可避免地存在着失调及漂移，在小信号时影响尤为严重。为了减小误差，相乘
器应设计在大信号的条件下工作。普通采用的典型状态为输入电压的振幅值
征。
所谓非线性电路的分析方法就是针对不同的输入条件和电路类型，寻找合适的函数表达式
对非线性元器件的非线性特性进行近似，从而用简单、明确的方法揭示非线性电路工作的物
理过程。常见的非线性电路的分析方法包括折线分析法、幂级数分析法、开关函数分析法、
线性时变电路分析等。
1、折线分析法
2、幂级数分析法
3、开关函数分析法
非正弦信号。利用傅里叶级数将其展开，会发现在i（t）的频谱中除了含有原有信号电压u
的角频率ω外，还包含有ω的各次谐波2ω、3ω、4ω……及直流成分。
线性电阻和二极管上的电压和电流波形
图所示为角频率分别为ω1和ω2的正弦信号叠加后加到线性电阻R和二极管及所获得的电
流波形。由图（a）可以看出，由于线性元器件满足叠加原理，故流过电阻的电流仍由角频
以在Ux -Uy平面的四个象限均起作用
双差分模拟相乘器
3、实用模拟集成相乘器举例
4、模拟相乘器的误差及使用注意事项
BG314集成模拟相乘器
虽然模拟相乘器在电路结构上采取了一些措施后，扩大了输入电压的线性范围，减小了
温度系数，但实际器件仍存在着误差。误差的来源及使用中应注意的事项如下
①差分对管不可能完全对称，这种特性上的微小差异是造成相乘器误差的重要原因之一。
率为ω1和ω2的正弦波叠加的信号，并没有新的频率分量产生。
两个正弦电压作用下的线性电阻和二极管的电压、电流波形
由图（b）可以看出，两正弦波电压叠加后加在二极管上，产生的电流波形与原来大不相同，
表明非线性元器件并不满足叠加原理。可以证明，在流过二极管的电流中包含大量的组合频
率分量，它们可用下式表示ω=|±pω1±qω2| (p、q=0，2，3 ……)
集成模拟相乘器是性能优良、用途广泛的功能块，但使用前必须正确连接外接电路，并进行
精心调整，否则达不到预期效果。
模拟乘法器
教具
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教学方法
提问、启发
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线性时变电路分析
如果有两个不同频率的输入信号u1和u2同时作用于非线性元器件，一个信号（如u1）
幅度较大，其变化范围涉及元器件特性曲线中较大范围的非线性部分（元器件始终处于导通
可见，非线性元器件的输出信号比输入信号具有更为丰富的频率成分。许多重要的无线
电技术过程如调制、解调、混频、倍频等，正是利用非线性元器件的这种频率变换作用才得
以实现的。
3、非线性电路的分析方法
由于非线性元器件的非线性特性曲线很难用精确的函数式来表示，因此，在实际应用中，通
常根据非线性元器件的外部工作条件的不同，选取不同的的函数式来近似地描述其非线性特
由于u2较小，可忽略u2的二次方及以后各项，得近似表达式：
i= f（EQ+u1）+f '（EQ+u1）u2
式中，第一项代表元器件在工作点处的电流，f′（EQ+u1）代表元器件在工作点处的跨导，
由于工作点EQ+u1是随u1的变化而变化的，因此，元器件的跨导也是随u1变化的。上式
也可表示为：
由上式可见，就非线性元器件的输出电流与输入电压的关系而言，是线性的，类似于线
伏安特性曲线
由图可以看出，当非线性元件的直流工作点Q一定，且输入信号幅度较小时，则Q点处
的斜率，即非线性元器件的电导可表示为：
若Q点不同，则g的大小也不同，即非线性元器件的电导不是一个常数，其大小与元器件
的直流工作点有关
2、非线性元器件的频率变换作用
非线性元器件与线性元器件具有不同的特点，其中一个重要的不同在于：非线性元器件
非线性元器件的频率变换作用
教
学
难
点
频率变换概念
非线性元器件的特性
非线性元器件的频率变换作用
教具
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2.1概述
在通信系统中，为了有效地实现信息传输和信号处理，广泛地采用各种频率变换电路。所谓
状态）；另一信号（如u2）幅度较小，在其变化范围内，近似地认为非线性元器件的特性参
数不变，即处于线性工作状态。其示意图如图所示。
线性时变工作状态示意图
此时流过元器件的电流为：i=f（u）=f（EQ+u1+u2）
因为U1m>>U2m，可将EQ+u1看成元器件的交变工作点，则i=f（u）可在其工作点EQ+u1处展开为泰勒级数：
江西赣州技师学院课时计划（教案）
课程名称：高频电子技术任课教师：钟文福教案序号：9