学子专区论坛 — ADALM2000实验：有源混频器

目标

本实验的目标是帮助理解有源混频器的基本概念。

背景知识

混频器是一种具备调制或解调功能的三端口器件，主要分为无源和有源两种类型。混频器的核心功能是在改变信号频率的同时，保留原始信号的所有其他特性。有源混频器与无源混频器的关键区别在于，有源混频器会采用有源器件来提供转换增益。

图1.混频器的符号表示

如图1所示，混频器的输出有两种形式。混频器接收两个不同频率的输入信号，输出一个频率信号；从图中可见，输出频率既可以是两个输入频率的和频，也可以是两者的差频。这些频率分别与如下之一对应：本地振荡器频率(LO)、射频频率(RF)和中频频率(IF)。

混频器的主要用途是实现频率转换，转换过程可分为上变频和下变频两类。其中，LO端口始终为输入端口；而RF端口和IF端口的角色则取决于具体应用场景，既可作为输入端口，也可作为输出端口。在下变频混频器中，另一个输入端口为RF端口，输出则是频率更低的IF信号（如图2a所示）。

图2.(a)下变频混频器示意图；(b)上变频混频器示意图

在上变频混频器中，另一个输入是IF，输出则是RF信号，如图2b所示。

材料

•ADALM2000主动学习模块

•无焊试验板和跳线套件

•两个1 kΩ电阻

•两个6.8 kΩ电阻

•一个OP37精密运算放大器

•一个LTC1043精密开关电容模块

•三个N通道MOSFET（2-ZVN3310，1-ZVN2210A）

单平衡有源混频器

混频器还可分为单平衡混频器与双平衡混频器，两者各有优缺点。

单平衡混频器常称为“平衡混频器”，这种混频器类型仅能抑制LO信号或RF信号中的一种，而非同时抑制这两种信号。这种混频器的应用较为少见，因为它对输入LO信号中的噪声较为敏感。主要缺点是存在IF-LO串扰现象，即当IF信号频率与LO信号频率相差不大时，LO信号可能会泄漏到IF信号中。单平衡混频器的简易电路如图3所示。

图3.单平衡混频器

硬件设置

按照图4所示，构建以下试验板连接。

程序步骤

使用信号发生器W1和W2作为混频器的频率输入。对于LO频率，使用W1并将其设置为5 V、210 kHz的正弦波。对于RF输入，则使用W2。在进行上变频混频时，

图4.单平衡混频器试验板连接

W2的频率应低于LO频率，因此将W2设置为5 V、25 kHz的正弦波。预期输出频率为185 kHz和235 kHz。模拟通道Ch2用于监测RF输入信号W2，而Ch1则通过频谱分析仪监测IF输出信号。结果如图5a所示。

图5.(a)上变频频谱图；(b)下变频频谱图

进行下变频混频时，将W2设置为5 V、260 kHz的正弦波；这将作为混频器的RF输入。预期输出频率为50 kHz，频谱结果应类似于如图5b所示。

基于LTC1043实现的单平衡有源混频器

背景知识

理想情况下，若要实现混频器低噪声、高线性度的目标，需要设计一个能响应LO输入信号、实现极性切换功能的电路。因此，混频器可以简化为图6所示形式：RF信号被分为同相(0°)分量与反相(180°)分量；一个由LO信号驱动的转换开关，会交替选择同相信号与反相信号输出。因此，从本质上简化来看，理想的混频器可建模为一个符号开关。

图6.理想的开关混频器

仿真

为演示混频原理，可采用图6所示的理想开关混频器。该混频器可通过LTC1043 CMOS模拟开关构建，这是一款单芯片、电荷平衡的双通道开关电容仪表级构建模块。其内部的一对开关会交替执行两个动作：先将外部电容连接至输入电压，再将充好电的电容连接至输出端口。混频器内置了一个时钟，其频率可通过外接电容调节：若未在引脚Cosc连接电容，内部振荡器频率将为210 kHz；若外接39 pF电容（元件套件中最小容量的电容），LTC1043内部振荡器频率则会变为80 kHz。本次仿真基于“Cosc引脚未接电容”的结构进行。

图7.基于LTC1043的开关混频器

图7展示了LTspice®中的电路，该电路也可通过硬件元件在试验板上实现。我们使用LTC1043第一组开关的输入端。输入信号将由信号发生器的通道1生成，并连接至引脚S1A。为获取该输入信号的反相版本，我们构建了一个简单的单位增益反相放大器，并将其输出连接至引脚S2A。输出可在引脚CA+处观测，需通过示波器的通道2正极进行监测。若要实现下变频混频器，需将信号发生器通道1的频率设置为高于振荡器的频率（例如250 kHz）。此时输出频率为这两个频率的差值，即40 kHz。参见图8。

图8.下变频混频器的FFT分析图

若将信号发生器通道1的频率设置为60 kHz，混频器输出将包含两个频率分量：一个为和频(fLo + fin = 270 kHz)，另一个为差频(fLo–fin = 150 kHz)。上变频混频器的FFT分析图可参见图9。

图9.上变频混频器的FFT分析图

双平衡混频器或吉尔伯特单元

双平衡混频器主要用于避免输出信号中出现LO产物。这种结构需包含两个单平衡混频器电路，配备两个并联连接的差分RF晶体管，形成一对反向并联的开关对。LO产物项会被抵消，且输出信号中的RF信号幅度也会加倍。这种结构的LO与IF之间具有高隔离度，有助于降低混频后信号滤波环节的性能要求。在噪声方面，由于采用了差分RF信号，这类混频器比单平衡混频器的抗噪声能力更强。该类型混频器也被称为吉尔伯特单元。参见图10。

图10.吉尔伯特单元结构

从电路中可观察到，吉尔伯特单元混频器具有高度对称性。这种对称性不仅能实现电路平衡，还能在输出端抑制LO和RF信号。在使用分立元件的系统中，吉尔伯特单元的应用并不广泛，原因是其所需的元件数量较多；但对于集成电路而言，吉尔伯特单元混频器是理想之选。因为在集成电路中，元件数量并非关键考量因素，且这种混频器无需变压器或其他电感器等绕制元件，同时还能提供高水平的性能。

LTspice仿真

由于元件套件中提供的元件数量不足以构建该电路，因此我们转而在LTspice软件中对电路进行仿真。仿真所需的LTspice文件可从GitHub上的LTspice教育工具下载。图11展示了该电路的IF输出信号，此结果由IF正、负输出差值计算得出。

图11.吉尔伯特单元的LTspice仿真图。

基于LTC1043实现的双平衡有源混频器。

双平衡混频器结构需要两个单平衡电路。我们可以利用LTC1043构建这种结构，因为它包含多个开关，能够提供所需的反向并联开关对。图12所示为该电路的原理图。电路及其连接方式基本相同，仅第二组开关（S3A、S4A）的输入端与第一组开关（S1A、S2A）的输入端反向连接。在这种情况下，可通过示波器的通道2正极（连接至CA+引脚）和通道2负极（连接至CA–引脚）观测输出信号。

图12.基于LTC1043的双平衡混频器

为分析下变频结构，需将信号发生器通道1设置为频率250 kHz、峰峰值1 V的正弦波。下变频的FFT分析结果如图13所示。

图13.下变频FFT分析图

对于上变频，信号发生器通道1生成的正弦波频率需低于LTC1043内部振荡器的频率（例如50 kHz）。该频率下的FFT分析结果如图14所示。

图14.上变频FFT分析图

问题

相较于单平衡混频器，使用双平衡混频器（吉尔伯特单元）的主要优势是什么？

在有源混频器的实现中，LTC1043起到什么作用？

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