有源混頻器AD831的原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用分析

混頻器在廣播、通信、電視等外差式設(shè)備及頻率合成設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用，它是用來進(jìn)行信號(hào)頻率變換并可保持調(diào)制性質(zhì)不變的電路組件，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著足輕得的作用。AD831是AD公司生產(chǎn)的低失真、寬動(dòng)態(tài)范圍的單片有源混頻器，它輸入輸出方式多樣，使用靈活方便。

1 AD831的組成及主要特點(diǎn)

AD831由混頻器、限幅放大器、低噪聲輸出放大器和偏置電路等組成，主要用于HF和VHF接收機(jī)中射頻到中頻的頻率轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合。AD831采用雙差分模擬乘法器混頻電路，具有+24dBm三階交叉點(diǎn)，且三階互調(diào)失真小，同時(shí)有+10dBm的1dB壓縮點(diǎn)，線性動(dòng)態(tài)范圍大，神經(jīng)質(zhì)本振輸入信號(hào)僅需要-10dBm。同無放大器的混頻器相比，它不僅省去了對(duì)大功率本振驅(qū)動(dòng)器的要求，而且避免了由大功率本振帶來的屏蔽、隔離等問題，因而大大降低了系統(tǒng)費(fèi)用；AD831的本振和射頻輸入頻率可達(dá)到500MHz，中頻輸出方式有兩種差分電流輸出和單端電壓輸出，在采用差分電流輸出時(shí)，輸出頻率可達(dá)250MHz；采用單端電壓輸出時(shí)，輸出頻率大于200MHz。AD831既可用雙電源供電也可以用單電源供電，雙電源供電時(shí)所有端口均可采用直流耦合，因而可由用戶根據(jù)需要通過外圍電路控制電源功耗。AD831采用20腳PLCC封裝，圖1是AD831的引腳排列圖，表1是它的引腳功能說明。

表1 AD831的引腳功能說明

2 工作原理

2.1 混頻原理

圖2所示是AD831的內(nèi)部電路框圖。圖中，頻頻輸入信號(hào)加到晶體管Q1、Q2的基極，由于電阻R1、R2的負(fù)反饋潮作用，因而差分電流射頻信號(hào)的幅度成線性關(guān)系。-10dBm的本振輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)高增益、低噪聲的限幅放大器轉(zhuǎn)換成方波，而后交叉地加到Q3～Q6的基極，最后混頻信號(hào)從IFP和IFN腳輸出。當(dāng)將IFP、IFN連接到有中心抽頭的變壓器上時(shí)，AD831不可提供從射頻到中頻的單路輸出。若使用輸出放大器，則可降IFP和IFN腳直接與AP和AN腳相連，這時(shí)，片內(nèi)的負(fù)載電阻可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓來驅(qū)動(dòng)輸出放大器。

2.2 控制偏置電流

AD831的射頻輸出的最大值與偏置電流成比例，在BIAS引腳與電源之間接一個(gè)電阻可使偏置電流減小。正常工作時(shí)可將BIAS腳懸空，而在低功耗工作時(shí)，可將BIAS腳直接連接到正電源。混頻器工作電流的調(diào)節(jié)范圍可從正常工作的100mA調(diào)整至最小功耗時(shí)的45mA。2.3 低通濾波

在混頻和輸出放大器之間可加入一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，方法是在芯片的內(nèi)部電阻性負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)外接電容（芯片的內(nèi)部電阻性負(fù)載為14Ω，允許有20%的偏差），這樣在下混頻應(yīng)用中將顯著衰減本振信號(hào)和射頻信號(hào)的和頻成分。該一階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，應(yīng)選擇在比下混頻的IF輸出高一個(gè)倍頻程的位置。例如，對(duì)70MHz中頻輸出而言，-3dB點(diǎn)可選在140MHz附近，此時(shí)CF應(yīng)為82pF。

2.4 輸出放大器的應(yīng)用

AD831的輸出放大器可將混頻的差分電流轉(zhuǎn)換為單端電壓輸出形式，并可在50Ω的負(fù)載上提供高達(dá)1V的峰-峰值電壓。把AN和AP直接連接到混頻級(jí)的集電極輸出上，并將輸出端（OUT）接至VFB，這樣可提供單增益。改變?cè)鲆鏁r(shí)，可在放大器的輸出端外接一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)R3、R4并連接至VFB。

3 在頻蹤式雷達(dá)本振中的應(yīng)用

圖3是基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）的某頻蹤式雷達(dá)的本振組成框圖。該系統(tǒng)應(yīng)用了兩片AD831，分別用作下混頻和上混頻。

恒溫晶振產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度達(dá)10 -9的100MHz信號(hào)，功率分配器分為四路：一路放大后作DDS時(shí)鐘；一路送往頻率測(cè)量電路作為測(cè)頻基準(zhǔn)；一路則送至AD831與DDS的輸出信號(hào)混頻，經(jīng)濾波取上中頻放大后作為本振信號(hào)。本振信號(hào)同樣經(jīng)四功分器分為四路，其中兩路作為雷達(dá)的本振信號(hào)，一路用作檢測(cè)，一路則送到另一片AD831與雷達(dá)發(fā)射機(jī)耦合來的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻。AD831輸出的下中頻信號(hào)經(jīng)濾波后送到頻率測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)頻，以使單片機(jī)根據(jù)測(cè)量結(jié)果改變DDS的輸出頻率從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，保證雷達(dá)中頻信號(hào)頻率的穩(wěn)定。

3.1 下混頻電路

圖4是AD831用于下混頻工作時(shí)的典型電路。其電源電壓應(yīng)在±4.5～～±5.5V的范圍內(nèi)。圖中用C1、C2、L1組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，以保證射頻信號(hào)的輸入；82pF的電容CF跨接在IFN、IFP與Vp端作低通濾波器。當(dāng)本振頻率低于100MHz時(shí)，其電平應(yīng)在-20dBm以保證AD831安全工作，而在本振頻率高于100MHz時(shí)，是怦應(yīng)為-10dBm。

在頻蹤式雷達(dá)本振系統(tǒng)中可通過調(diào)整圖4中跨接在16、17、18腳的兩個(gè)電阻R3、R4的阻值來使中頻信號(hào)輸入端得到1V的峰峰值，并值接經(jīng)比較器整形為TTL方波后送往數(shù)字測(cè)頻系統(tǒng)進(jìn)行頻率測(cè)量。當(dāng)本振頻率不變時(shí)，中頻信號(hào)的頻率變化反映了雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻率變化，而為了使接收機(jī)中頻頻率的穩(wěn)定，此時(shí)只須根據(jù)測(cè)量結(jié)果的調(diào)整本振頻率，即可實(shí)現(xiàn)本振頻率跟隨發(fā)射脈沖頻率變化，以及保持中頻信號(hào)頻率穩(wěn)定，還能很好地解決單級(jí)振蕩式雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率漂移的問題。

3.2 上混頻電路

圖5為AD831上混頻器的應(yīng)用電路圖。將DDS的輸出信號(hào)與來自晶振的100MHz信號(hào)分別輸入到AD831的RF端和LO端，這樣可使DDS芯片產(chǎn)生的射頻信號(hào)在6MHz～38MHz之間可調(diào)，并使相應(yīng)的上混頻輸出信號(hào)在106MHz～138MHz之間變化。為抑制高次諧波，電路中采用了聲表面濾波器組，四個(gè)聲表面濾波器的中心頻率分別為108MHz、113MHz、120MHz和131MHz，通頻帶分別為106MHz～110MHz、110MHz～116MHz、116MHz～124MHz和124MHz～138MHz。通過由單片機(jī)控制的射頻開關(guān)來選擇濾波器，使在某一時(shí)刻的信號(hào)只通過與其頻率相對(duì)應(yīng)的濾波器。

因聲表面波濾波器的插入損耗較大（約18dB），所以對(duì)AD831的上混頻輸出信號(hào)要求很高，再加上上混頻輸出頻率也較高，因此，此時(shí)電路的上中頻頻率低于AD831采用單端電壓輸出時(shí)的最大輸出頻率，僅靠AD831采用單端電壓輸出時(shí)的最大輸出頻率，僅靠AD831的片內(nèi)輸出放大器難以滿足需要，于是筆者在圖5電路中再外接一級(jí)放大，把AD831的IFN腳和IFP腳分別接到外接放大器的妙手回相端和反相端，而未使用芯片內(nèi)的輸出放大器。由于采用了聲表面濾波器進(jìn)行濾波，所以，得到的輸出信號(hào)頻譜比較純凈。圖中，AD831其余各引腳的連接可參考圖4，但AN、AP腳不可接地，而OUT、VFB和COM引腳則應(yīng)接地。

3.3 使用中應(yīng)用注意的問題

在使用AD831的過程中，曾出現(xiàn)其輸出噪聲較大時(shí)系統(tǒng)不能正常工作的情況，經(jīng)改進(jìn)電路板布局重新布線后有一定改善，并將AD831及外圍電路裝入1mm厚銅板制作的屏蔽盒中，輸入輸出全部采有SAM50接頭，電源輸入端均加入濾波網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)果是輸出噪聲顯著降低，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。因此，合理選擇元件、精心布局電路板、有效的電源去耦濾波及可靠的屏蔽對(duì)發(fā)揮AD831的性能是十分重要的。

AD831的外圍電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大、失真小，且輸出方式多，使用靈活方便，是性價(jià)比高的混頻器。