低失真有源混频器AD831的工作原理及应用

    摘要：AD831是美国AD公司生产的单片低失真混频器，它采用双差分模拟乘法器混频电路。文中介绍了AD831的工作原理、内部电路、引脚排列及功能说明，最后给出了AD831在频踪式雷达本振中的应用电路。

    关键词：混频器 射频 本振 中频 AD831

混频器在广播、通信、电视等外差式设备及频率合成设备中具有广泛的应用，它是用来进行信号频率变换并可保持调制性质不变的电路组件，其性能对整个系统有着足轻得的作用。AD831是AD公司生产的低失真、宽动态范围的单片有源混频器，它输入输出方式多样，使用灵活方便。

1 AD831的组成及主要特点

AD831由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器和偏置电路等组成，主要用于HF和VHF接收机中射频到中频的频率转换等场合。AD831采用双差分模拟乘法器混频电路，具有+24dBm三阶交叉点，且三阶互调失真小，同时有+10dBm的1dB压缩点，线性动态范围大，神经质本振输入信号仅需要-10dBm。同无放大器的混频器相比，它不仅省去了对大功率本振驱动器的要求，而且避免了由大功率本振带来的屏蔽、隔离等问题，因而大大降低了系统费用；AD831的本振和射频输入频率可达到500MHz，中频输出方式有两种差分电流输出和单端电压输出，在采用差分电流输出时，输出频率可达250MHz；采用单端电压输出时，输出频率大于200MHz。AD831既可用双电源供电也可以用单电源供电，双电源供电时所有端口均可采用直流耦合，因而可由用户根据需要通过外围电路控制电源功耗。AD831采用20脚PLCC封装，图1是AD831的引脚排列图，表1是它的引脚功能说明。

表1 AD831的引脚功能说明

引  脚名  称功    能引  脚名  称功    能1Vp正电源11LOP本振输入2IFN混频级电流输出12Vp正电源3AN输出放大器负输入端13GND地4GND地14BIAS偏置输入5VN负电源15VN负电源6RFP射频输入16OUT输出放大器输出7RFN射频输入17VFB输出放大器反馈输入8VN负电源18COM输出放器输出公共端9Vp正电源19AP输出放大器正输入端10LON本振输入20IFP混频级电流输出

2 工作原理

2.1 混频原理

图2所示是AD831的内部电路框图。图中，频频输入信号加到晶体管Q1、Q2的基极，由于电阻R1、R2的负反馈潮作用，因而差分电流射频信号的幅度成线性关系。-10dBm的本振输入信号经过一个高增益、低噪声的限幅放大器转换成方波，而后交叉地加到Q3～Q6的基极，最后混频信号从IFP和IFN脚输出。当将IFP、IFN连接到有中心抽头的变压器上时，AD831不可提供从射频到中频的单路输出。若使用输出放大器，则可降IFP和IFN脚直接与AP和AN脚相连，这时，片内的负载电阻可将输出电流转换成电压来驱动输出放大器。

2.2 控制偏置电流

AD831的射频输出的最大值与偏置电流成比例，在BIAS引脚与电源之间接一个电阻可使偏置电流减小。正常工作时可将BIAS脚悬空，而在低功耗工作时，可将BIAS脚直接连接到正电源。混频器工作电流的调节范围可从正常工作的100mA调整至最小功耗时的45mA。2.3 低通滤波

在混频和输出放大器之间可加入一个简单的低通滤波器，方法是在芯片的内部电阻性负载上并联一个外接电容（芯片的内部电阻性负载为14Ω，允许有20%的偏差），这样在下混频应用中将显著衰减本振信号和射频信号的和频成分。该一阶低通滤波器的转折频率，应选择在比下混频的IF输出高一个倍频程的位置。例如，对70MHz中频输出而言，-3dB点可选在140MHz附近，此时CF应为82pF。

2.4 输出放大器的应用

AD831的输出放大器可将混频的差分电流转换为单端电压输出形式，并可在50Ω的负载上提供高达1V的峰-峰值电压。把AN和AP直接连接到混频级的集电极输出上，并将输出端（OUT）接至VFB，这样可提供单增益。改变增益时，可在放大器的输出端外接一个电阻网络R3、R4并连接至VFB。

3 在频踪式雷达本振中的应用

图3是基于直接数字频率合成技术（DDS）的某频踪式雷达的本振组成框图。该系统应用了两片AD831，分别用作下混频和上混频。

恒温晶振产生的频率稳定度达10 -9的100MHz信号，功率分配器分为四路：一路放大后作DDS时钟；一路送往频率测量电路作为测频基准；一路则送至AD831与DDS的输出信号混频，经滤波取上中频放大后作为本振信号。本振信号同样经四功分器分为四路，其中两路作为雷达的本振信号，一路用作检测，一路则送到另一片AD831与雷达发射机耦合来的射频信号进行混频。AD831输出的下中频信号经滤波后送到频率测量电路进行测频，以使单片机根据测量结果改变DDS的输出频率从而实现频率跟踪，保证雷达中频信号频率的稳定。

3.1 下混频电路

图4是AD831用于下混频工作时的典型电路。其电源电压应在±4.5～～±5.5V的范围内。图中用C1、C2、L1组成高通滤波网络，以保证射频信号的输入；82pF的电容CF跨接在IFN、IFP与Vp端作低通滤波器。当本振频率低于100MHz时，其电平应在-20dBm以保证AD831安全工作，而在本振频率高于100MHz时，是怦应为-10dBm。

在频踪式雷达本振系统中可通过调整图4中跨接在16、17、18脚的两个电阻R3、R4的阻值来使中频信号输入端得到1V的峰峰值，并值接经比较器整形为TTL方波后送往数字测频系统进行频率测量。当本振频率不变时，中频信号的频率变化反映了雷达发射信号的频率变化，而为了使接收机中频频率的稳定，此时只须根据测量结果的调整本振频率，即可实现本振频率跟随发射脉冲频率变化，以及保持中频信号频率稳定，还能很好地解决单级振荡式雷达发射机发射频率漂移的问题。

3.2 上混频电路

图5为AD831上混频器的应用电路图。将DDS的输出信号与来自晶振的100MHz信号分别输入到AD831的RF端和LO端，这样可使DDS芯片产生的射频信号在6MHz～38MHz之间可调，并使相应的上混频输出信号在106MHz～138MHz之间变化。为抑制高次谐波，电路中采用了声表面滤波器组，四个声表面滤波器的中心频率分别为108MHz、113MHz、120MHz和131MHz，通频带分别为106MHz～110MHz、110MHz～116MHz、116MHz～124MHz和124MHz～138MHz。通过由单片机控制的射频开关来选择滤波器，使在某一时刻的信号只通过与其频率相对应的滤波器。

    因声表面波滤波器的插入损耗较大（约18dB），所以对AD831的上混频输出信号要求很高，再加上上混频输出频率也较高，因此，此时电路的上中频频率低于AD831采用单端电压输出时的最大输出频率，仅靠AD831采用单端电压输出时的最大输出频率，仅靠AD831的片内输出放大器难以满足需要，于是笔者在图5电路中再外接一级放大，把AD831的IFN脚和IFP脚分别接到外接放大器的妙手回相端和反相端，而未使用芯片内的输出放大器。由于采用了声表面滤波器进行滤波，所以，得到的输出信号频谱比较纯净。图中，AD831其余各引脚的连接可参考图4，但AN、AP脚不可接地，而OUT、VFB和COM引脚则应接地。

3.3 使用中应用注意的问题

在使用AD831的过程中，曾出现其输出噪声较大时系统不能正常工作的情况，经改进电路板布局重新布线后有一定改善，并将AD831及外围电路装入1mm厚铜板制作的屏蔽盒中，输入输出全部采有SAM50接头，电源输入端均加入滤波网络，其结果是输出噪声显著降低，系统工作稳定。因此，合理选择元件、精心布局电路板、有效的电源去耦滤波及可靠的屏蔽对发挥AD831的性能是十分重要的。