低失真有源混頻器AD831的工作原理及應用

摘要：AD831是美國AD公司生產(chǎn)的單片低失真混頻器，它采用雙差分模擬乘法器混頻電路。文中介紹了AD831的工作原理、內部電路、引腳排列及功能說(shuō)明，最后給出了AD831在頻蹤式雷達本振中的應用電路。

關(guān)鍵詞：混頻器 射頻 本振 中頻 AD831

混頻器在廣播、通信、電視等外差式設備及頻率合成設備中具有廣泛的應用，它是用來(lái)進(jìn)行信號頻率變換并可保持調制性質(zhì)不變的電路組件，其性能對整個(gè)系統有著(zhù)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接收機中射頻到中頻的頻率轉換等場(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)，且三階互調失真小，同時(shí)有+10dBm的1dB壓縮點(diǎn)，線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍大，神經(jīng)質(zhì)本振輸入信號僅需要-10dBm。同無(wú)放大器的混頻器相比，它不僅省去了對大功率本振驅動(dòng)器的要求，而且避免了由大功率本振帶來(lái)的屏蔽、隔離等問(wèn)題，因而大大降低了系統費用；AD831的本振和射頻輸入頻率可達到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(hù)根據需要通過(guò)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(shuō)明。

表1 AD831的引腳功能說(shuō)明

2 工作原理

2.1 混頻原理

圖2所示是AD831的內部電路框圖。圖中，頻頻輸入信號加到晶體管Q1、Q2的基極，由于電阻R1、R2的負反饋潮作用，因而差分電流射頻信號的幅度成線(xiàn)性關(guān)系。-10dBm的本振輸入信號經(jīng)過(guò)一個(gè)高增益、低噪聲的限幅放大器轉換成方波，而后交叉地加到Q3～Q6的基極，最后混頻信號從IFP和IFN腳輸出。當將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)，片內的負載電阻可將輸出電流轉換成電壓來(lái)驅動(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?；祛l器工作電流的調節范圍可從正常工作的100mA調整至最小功耗時(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，方法是在芯片的內部電阻性負載上并聯(lián)一個(gè)外接電容（芯片的內部電阻性負載為14Ω，允許有20%的偏差），這樣在下混頻應用中將顯著(zhù)衰減本振信號和射頻信號的和頻成分。該一階低通濾波器的轉折頻率，應選擇在比下混頻的IF輸出高一個(gè)倍頻程的位置。例如，對70MHz中頻輸出而言，-3dB點(diǎn)可選在140MHz附近，此時(shí)CF應為82pF。

2.4 輸出放大器的應用

AD831的輸出放大器可將混頻的差分電流轉換為單端電壓輸出形式，并可在50Ω的負載上提供高達1V的峰-峰值電壓。把AN和AP直接連接到混頻級的集電極輸出上，并將輸出端（OUT）接至VFB，這樣可提供單增益。改變增益時(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 在頻蹤式雷達本振中的應用

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

恒溫晶振產(chǎn)生的頻率穩定度達10 -9的100MHz信號，功率分配器分為四路：一路放大后作DDS時(shí)鐘；一路送往頻率測量電路作為測頻基準；一路則送至AD831與DDS的輸出信號混頻，經(jīng)濾波取上中頻放大后作為本振信號。本振信號同樣經(jīng)四功分器分為四路，其中兩路作為雷達的本振信號，一路用作檢測，一路則送到另一片AD831與雷達發(fā)射機耦合來(lái)的射頻信號進(jìn)行混頻。AD831輸出的下中頻信號經(jīng)濾波后送到頻率測量電路進(jìn)行測頻，以使單片機根據測量結果改變DDS的輸出頻率從而實(shí)現頻率跟蹤，保證雷達中頻信號頻率的穩定。

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。其電源電壓應在±4.5～～±5.5V的范圍內。圖中用C1、C2、L1組成高通濾波網(wǎng)絡(luò )，以保證射頻信號的輸入；82pF的電容CF跨接在IFN、IFP與Vp端作低通濾波器。當本振頻率低于100MHz時(shí)，其電平應在-20dBm以保證AD831安全工作，而在本振頻率高于100MHz時(shí)，是怦應為-10dBm。

在頻蹤式雷達本振系統中可通過(guò)調整圖4中跨接在16、17、18腳的兩個(gè)電阻R3、R4的阻值來(lái)使中頻信號輸入端得到1V的峰峰值，并值接經(jīng)比較器整形為T(mén)TL方波后送往數字測頻系統進(jìn)行頻率測量。當本振頻率不變時(shí)，中頻信號的頻率變化反映了雷達發(fā)射信號的頻率變化，而為了使接收機中頻頻率的穩定，此時(shí)只須根據測量結果的調整本振頻率，即可實(shí)現本振頻率跟隨發(fā)射脈沖頻率變化，以及保持中頻信號頻率穩定，還能很好地解決單級振蕩式雷達發(fā)射機發(fā)射頻率漂移的問(wèn)題。

3.2 上混頻電路

圖5為AD831上混頻器的應用電路圖。將DDS的輸出信號與來(lái)自晶振的100MHz信號分別輸入到AD831的RF端和LO端，這樣可使DDS芯片產(chǎn)生的射頻信號在6MHz～38MHz之間可調，并使相應的上混頻輸出信號在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(guò)由單片機控制的射頻開(kāi)關(guān)來(lái)選擇濾波器，使在某一時(shí)刻的信號只通過(guò)與其頻率相對應的濾波器。

因聲表面波濾波器的插入損耗較大（約18dB），所以對AD831的上混頻輸出信號要求很高，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A(yíng)D831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的片內輸出放大器難以滿(mǎn)足需要，于是筆者在圖5電路中再外接一級放大，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引腳則應接地。

3.3 使用中應用注意的問(wèn)題

在使用AD831的過(guò)程中，曾出現其輸出噪聲較大時(shí)系統不能正常工作的情況，經(jīng)改進(jìn)電路板布局重新布線(xiàn)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 )，其結果是輸出噪聲顯著(zhù)降低，系統工作穩定。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?xún)r(jià)比高的混頻器。