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ADALM2000 助力深入探究有源混频器实验

出处：网络时间：2026-06-30

　　在电子技术领域，混频器是一种具备调制或解调功能的三端口器件，它在信号处理中扮演着关键角色。混频器主要分为无源和有源两种类型，其功能是在改变信号频率的同时，精准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，这使得它在某些应用场景中具有独特的优势。
　　本次 ADALM2000 实验的目标是帮助大家深入理解有源混频器的基本概念。从背景知识来看，混频器的输出有两种形式。如 [图 1] 所示，混频器接收两个不同频率的输入信号，输出一个频率信号，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）；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）。

　　图 1. 混频器的符号表示

　　图 2. (a) 下变频混频器示意图；(b) 上变频混频器示意图
　　本次实验所需的材料包括 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 精密开关电容模块以及三个 N 通道 MOSFET（2 - ZVN3310，1 - ZVN2210A）。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。它的应用较为少见，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
　　在硬件设置方面，需按照图 4 所示构建试验板连接。程序步骤中，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，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 Cp 用于监测 RF 输入信号 W2，而 Cp 则通过频谱分析仪监测 IF 输出信号，结果如图 5a 所示。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。

　　图 4. 单平衡混频器试验板连接

　　图 5. (a) 上变频频谱图；(b) 下变频频谱图
　　基于 LTC1043 实现的单平衡有源混频器方面，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。从本质上简化来看，理想的混频器可建模为一个符号开关。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 6. 理想的开关混频器
　　

　　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 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。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 8. 下变频混频器的 FFT 分析图
　

　　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，如图 10 所示。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。

　　图 10. 吉尔伯特单元结构
　　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。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，其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。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。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 12. 基于 LTC1043 的双平衡混频器
　

　　图 13. 下变频 FFT 分析图
　

　　图 14. 上变频 FFT 分析图
　　提出两个问题供大家思考：1. 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？2. 在有源混频器的实现中，LTC1043 起到什么作用？您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

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