混频器

在电子产品中，混频器或混频器是一种电路，可从施加到它的两个信号中产生新的频率。 在其最常见的应用中，两个信号被应用到一个混频器，它会以原始频率的和和差产生新信号。 其他频率分量也可以在实际的混频器中产生。

混频器广泛用于将信号从一个频率范围转移到另一个频率范围，这一过程称为外差，以便于传输或进一步的信号处理。 例如，超外差接收器的一个关键部件是一个混频器，用于将接收到的信号移动到一个共同的中频。 混频器也用于调制无线电发射机中的载波信号。

混频器的基本特征是它在其输出中产生一个分量，该分量是两个输入信号的乘积。 有源和无源电路都可以实现混频器。 无源混频器使用一个或多个二极管，并依靠它们在电压和电流之间的非线性关系来提供倍增元件。 在无源混频器中，所需输出信号的功率始终低于输入信号。

有源混频器使用放大设备（例如晶体管或真空管），可以增加产品信号的强度。 有源混频器改善了端口之间的隔离，但可能具有更高的噪声和更多的功耗。 有源混频器对过载的容忍度较低。

混频器可以由分立元件构成，可以是集成电路的一部分，也可以作为混合模块提供。

混频器也可以按其拓扑结构分类：

• 非平衡混频器除了产生乘积信号外，还允许两个输入信号通过并作为分量出现在输出中。
• 将单个平衡混频器的一个输入应用于平衡（差分）电路，以便在输出端抑制本机振荡器 (LO) 或信号输入 (RF)，但不会同时抑制两者。
• 双平衡混频器的两个输入都应用于差分电路，因此输入信号和乘积信号都不会出现在输出端。 双平衡混频器比不平衡和单平衡设计更复杂，需要更高的驱动电平。

混合器类型的选择是针对特定应用的权衡。

混频器电路的特征在于它们的特性，例如转换增益（或损耗）、噪声系数和非线性。

用作混频器的非线性电子元件包括偏置在截止附近的二极管和晶体管。 线性时变器件（例如模拟乘法器）提供卓越的性能，因为只有在真正的乘法器中，输出幅度才与输入幅度成正比，这是线性转换所要求的。 还使用了驱动到饱和状态的铁磁芯电感器。 在非线性光学中，具有非线性特性的晶体用于混合两种频率的激光以产生光学外差。

二极管可用于创建简单的不平衡混频器。 这种类型的混频器产生原始频率以及它们的和和差。 二极管的重要特性是它的非线性（或非欧姆行为），这意味着它的响应（电流）与其输入（电压）不成比例。 二极管不会在通过它的电流中再现其驱动电压的频率，这允许进行所需的频率操作。 通过理想二极管的电流 I {\displaystyle I} 作为其两端电压 V D {\displaystyle V_{D}} 的函数由下式给出

I = I S ( e q V D n k T − 1 )

其中非线性的重要特性来自 V D {\displaystyle V_{D}} 在 e {\displaystyle e} 的指数中。 指数可以展开为

e x = ∑ n = 0 ∞ x n n !

并且可以通过该级数的前几项对小 x {\displaystyle x}（即小电压）进行近似：

e x − 1 ≈ x + x 2 2

假设将两个输入信号 v 1 + v 2 的总和施加到一个二极管，并产生与通过二极管的电流成正比的输出电压 （也许通过提供与二极管串联的电阻两端的电压）。 然后，忽略二极管方程中的常数，输出电压将具有以下形式

v o = ( v 1 + v 2 ) + 1 2 ( v 1 + v 2 ) 2 + …

右边的xxx项是原始的两个信号，正如预期的那样，后面是总和的平方，可以重写为 ( v 1 + v 2 ) 2 = v 1 2 + 2 v 1 v 2 + v 2 2