利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的混頻器

混頻器常常用一個(gè)二極管橋式電路(diodebridge)或一個(gè)Gilbert單元(Gilbertcell)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩類(lèi)混頻器都使用了一個(gè)本地振蕩器(LO)來(lái)跳轉(zhuǎn)射頻(RF)輸入的極性。

當(dāng)LO為正時(shí),RF輸入被混頻轉(zhuǎn)換為中頻(IF)輸出時(shí)極性不改變。當(dāng)LO為負(fù)時(shí),RF輸入轉(zhuǎn)換為IF時(shí)極性改變。于是,通過(guò)LO“跳轉(zhuǎn)”了RF信號(hào)的極性。這種效應(yīng)相當(dāng)于以乘以+1或-1(損耗忽略不計(jì))。

混頻器還可利用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖1)。這種運(yùn)放混頻器采用一種平方波LO來(lái)跳轉(zhuǎn)RF輸入的極性。U1b、D1、D2、R1和R2構(gòu)成了一個(gè)反相半波整流器,用以反轉(zhuǎn)LO,并只輸出D2、R3、R4、R5和U1c形成的反相加法器的正半波。

由于R5和R4的值是R3的兩倍,經(jīng)過(guò)反相半波整流的LO幅度加倍與原來(lái)的LO相加。因此,這些元件共同構(gòu)成了一個(gè)眾所周知的全波整流器1。平方波LO輸入在U1c產(chǎn)生一個(gè)負(fù)直流輸出,其幅度等于LO的電平值。

其余的元件,連同U1c和R5一起,形成前述全波整流器的變異體。這個(gè)變異體的兩個(gè)輸入和U1a的反相輸入相加。RF和LO輸入相加,反相并半波整流。二極管D3和D4被U1b等元件構(gòu)成的整流器反向,故D4只有負(fù)值輸出。

U1c作為反相加法器,對(duì)RF(通過(guò)R9)和LO(通過(guò)R11)求和并進(jìn)行反相半波整流(通過(guò)R10)。由于R5、R9和R11的值是R10的兩倍,經(jīng)半波整流后和值的幅度增倍,并與原來(lái)的RF和LO信號(hào)相加。由此得到的波形具有等于LO幅度的正向直流偏置。把這個(gè)結(jié)果和U1b及U1c產(chǎn)生的負(fù)直流電壓結(jié)合起來(lái),即消除了兩項(xiàng)直流,并使波形直流偏置為零。

圖2的波形顯示,當(dāng)LO為正時(shí),IF輸出和RF信號(hào)相同,但只要LO為負(fù),IF輸出的極性就被改變。這正符合混頻特性。

為避免失真,LO幅度必須大于RF幅度。而且,LO和RF之和的兩倍必須小于電源電壓以防限幅(clipping)。當(dāng)然,可用一個(gè)簡(jiǎn)單的10-kΩ電阻來(lái)取代并聯(lián)的R4和R11。混頻器電路可用下面的等式來(lái)總結(jié)：

IF=[RF+LO2×HALF(RF+LO)+FULL(LO)]

當(dāng)LO>0時(shí),上式變?yōu)椋?

IF=-[RF+LO-2(RF+LO)+LO]=RF

當(dāng)LO<0時(shí),為：

IF=-(RF+LO-0-LO)=-RF

這里,HALF(RF+LO)表示(RF+LO)的正半波整流,FULL(LO)表示全波整流LO,且LO的幅度比RF的幅度大。因此當(dāng)LO>0時(shí),IF=RF;LO<0時(shí),IF=-RF。

這種運(yùn)放混頻器可提供好幾種優(yōu)勢(shì)。它在所有的三端口上都被直流耦合,對(duì)某些應(yīng)用而言,這可是一大優(yōu)點(diǎn)。橋式二極管混頻器在RF和LO端口處都具有變壓器,故只有IF是經(jīng)過(guò)直流耦合的。Gilbert-cell混頻器一般通過(guò)電容進(jìn)行交流耦合。

其次,橋式二極管混頻器需要LO足夠大以導(dǎo)通兩個(gè)二極管。運(yùn)放混頻器卻沒(méi)有這種要求。LO可以很小,只要它大于RF即可。第三,運(yùn)放混頻器沒(méi)有橋式二極管混頻器中的6dB損耗。

此外,運(yùn)放混頻器沒(méi)有使用變壓器,因而它可能適合用硅片實(shí)現(xiàn)。最后,它具有高輸入阻抗和低輸出阻抗,正如大多數(shù)運(yùn)放電路那樣。

這種混頻器的最大缺陷是速度很慢,只在低頻下有用。不過(guò),快速的運(yùn)算放大器和卓著的構(gòu)建技術(shù)可以擴(kuò)展頻率范圍。此外,需采用精密電阻器以獲得良好的結(jié)果。