目標
本實驗目標是協助理解主動混頻器的基本概念。
背景知識
混頻器是一種具備調變或解調功能的三埠元件，主要分為被動和主動兩種類型。混頻器的核心功能是在改變訊號頻率的同時，還能保留原始訊號的所有其他特性。主動混頻器與被動混頻器的關鍵區別在於，主動混頻器會採用主動元件來提供轉換增益。
圖1.混頻器的符號表示
如圖1所示，混頻器的輸出有兩種形式。混頻器接收兩個不同頻率的輸入訊號，輸出一個頻率訊號；從圖中可見，輸出頻率既可以是兩個輸入頻率的和頻，也可以是兩者的差頻。這些頻率分別與如下之一對應：本地振盪器頻率(LO)、射頻頻率(RF)和中頻頻率(IF)。
混頻器的主要用途是實現頻率轉換，轉換過程可分為上變頻和下變頻兩類。其中，LO埠始終為輸入埠；而RF埠和IF埠的角色則取決於具體應用場景，既可作為輸入埠，也可作為輸出埠。在下變頻混頻器中，另一個輸入埠為RF埠，輸出則是頻率更低的IF訊號（如圖2a所示）。
圖2.(a)下變頻混頻器示意圖；(b)上變頻混頻器示意圖
在上變頻混頻器中，另一個輸入是IF，輸出則是RF訊號，如圖2b所示。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板和跳線套件
• 兩個1 kΩ電阻
• 兩個6.8 kΩ電阻
• 一個OP37精密運算放大器
• 一個LTC1043精密開關電容模組
• 三個N通道MOSFET（2-ZVN3310，1-ZVN2210A）
單平衡主動混頻器
混頻器還可分為單平衡混頻器與雙平衡混頻器，兩者各有優缺點。
單平衡混頻器常稱為「平衡混頻器」，這種混頻器類型僅能抑制LO訊號或RF訊號中的一種，而非同時抑制此兩種訊號。這種混頻器的應用較為少見，因為其對輸入LO訊號中的雜訊較為敏感。主要缺點是存在IF-LO串擾現象，即當IF訊號頻率與LO訊號頻率相差不大時，LO訊號可能會洩漏到IF訊號中。單平衡混頻器的簡易電路如圖3所示。
圖3.單平衡混頻器
硬體設定
按照圖4所示，建構以下試驗板連接。
程式步驟
使用訊號產生器W1和W2作為混頻器的頻率輸入。對於LO頻率，使用W1並將其設定為5 V、210 kHz的正弦波。對於RF輸入，則使用W2。在進行上變頻混頻時，
圖4.單平衡混頻器試驗板連接
W2的頻率應低於LO頻率，因此將W2設定為5 V、25 kHz的正弦波。預期輸出頻率為185 kHz和235 kHz。類比頻道Ch2用於監測RF輸入訊號W2，而Ch1則透過頻譜分析儀監測IF輸出訊號。結果如圖5a所示。
圖5.(a)上變頻頻譜圖；(b)下變頻頻譜圖
進行下變頻混頻時，將W2設定為5 V、260 kHz的正弦波；這將作為混頻器的RF輸入。預期輸出頻率為50 kHz，頻譜結果應類似於如圖5b所示。
基於LTC1043實現的單平衡主動混頻器
背景知識
理想情況下，若要實現混頻器低雜訊、高線性度的目標，需要設計一個能響應LO輸入訊號、實現極性切換功能的電路。因此，混頻器可以簡化為圖6所示形式：RF訊號被分為同相(0°)分量與反相(180°)分量；一個由LO訊號驅動的轉換開關，會交替選擇同相訊號與反相訊號輸出。因此，從本質上簡化來看，理想的混頻器可建模為一個符號開關。
圖6.理想的開關混頻器
模擬
為展示混頻原理，可採用圖6所示的理想開關混頻器。該混頻器可透過LTC1043 CMOS類比開關建構，這是一款單晶片、電荷平衡的雙通道開關電容儀錶級建構模組。其內部的一對開關會交替執行兩個動作：先將外部電容連接至輸入電壓，再將充好電的電容連接至輸出埠。混頻器內建了一個時脈，其頻率可透過外接電容調節：若未在接腳Cosc連接電容，內部振盪器頻率將為210 kHz；若外接39 pF電容（元件套件中最小容量的電容），LTC1043內部振盪器頻率則會變為80 kHz。本次模擬基於「Cosc接腳未接電容」的結構進行。
圖7.基於LTC1043的開關混頻器
圖7展示了LTspice®中的電路，該電路也可透過硬體元件在試驗板上實現。我們使用LTC1043第一組開關的輸入端。輸入訊號將由訊號產生器的通道1生成，並連接至接腳S1A。為獲得該輸入訊號的反相版本，我們建構了一個簡單的單位增益反相放大器，並將其輸出連接至接腳S2A。輸出可在接腳CA+處觀測，需透過示波器的通道2正極進行監測。若要實現下變頻混頻器，需將訊號產生器通道1的頻率設定為高於振盪器的頻率（例如250 kHz）。此時輸出頻率為這兩個頻率的差值，即40 kHz。參見圖8。
圖8.下變頻混頻器的FFT分析圖
若將訊號產生器通道1的頻率設定為60 kHz，混頻器輸出將包含兩個頻率分量：一個為和頻(fLo + fin = 270 kHz)，另一個為差頻(fLo–fin = 150 kHz)。上變頻混頻器的FFT分析圖可參見圖9。
Figure 9. FFT analysis of the upconversion mixer.
圖9.上變頻混頻器的FFT分析圖
雙平衡混頻器或Gilbert Cell
雙平衡混頻器主要用於避免輸出訊號中出現LO產物。這種結構需包含兩個單平衡混頻器電路，配備兩個並聯連接的差分RF電晶體，形成一對反向並聯的開關對。LO產物項會被抵消，且輸出訊號中的RF訊號幅度也會加倍。這種結構的LO與IF之間具有高隔離度，有助於降低混頻後訊號濾波環節的性能要求。在雜訊方面，由於採用了差分RF訊號，這類混頻器比單平衡混頻器的抗雜訊能力更強。該類型混頻器也被稱為Gilbert cell。參見圖10。
Figure 10. Gilbert cell configuration.
圖10. Gilbert cell結構
從電路中可觀察到，Gilbert cell混頻器具有高度對稱性。這種對稱性不僅能實現電路平衡，還能在輸出端抑制LO和RF訊號。在使用分立元件的系統中，Gilbert cell的應用並不廣泛，原因是其所需的元件數量較多；但對於積體電路而言，Gilbert cell混頻器是理想之選。因為在積體電路中，元件數量並非關鍵考量因素，且這種混頻器無需變壓器或其他電感器等繞線元件，同時還能提供高水準的性能。
LTspice模擬
由於元件套件中提供的元件數量不足以建構該電路，因此我們轉而在LTspice軟體中對電路進行模擬。模擬所需的LTspice檔可從GitHub上的LTspice教育工具下載。圖11展示了該電路的IF輸出訊號，此結果由IF正、負輸出差值計算得出。
圖11. Gilbert cell的LTspice模擬圖。
基於LTC1043實現的雙平衡主動混頻器。
雙平衡混頻器結構需要兩個單平衡電路。我們可以利用LTC1043建構這種結構，因為其包含多個開關，能夠提供所需的反向並聯開關對。圖12所示為該電路的原理圖。電路及其連接方式基本相同，僅第二組開關（S3A、S4A）的輸入端與第一組開關（S1A、S2A）的輸入端反向連接。在如此情況下，可透過示波器的通道2正極（連接至CA+接腳）和通道2負極（連接至CA–接腳）觀測輸出訊號。
圖12.基於LTC1043的雙平衡混頻器
為分析下變頻結構，需將訊號產生器通道1設定為頻率250 kHz、峰對峰值1 V的正弦波。下變頻的FFT分析結果如圖13所示。
圖13.下變頻FFT分析圖
對於上變頻，訊號產生器通道1生成的正弦波頻率需低於LTC1043內部振盪器的頻率（例如50 kHz）。該頻率下的FFT分析結果如圖14所示。
圖14.上變頻FFT分析圖
問題
1. 相較於單平衡混頻器，使用雙平衡混頻器（Gilbert cell）的主要優勢是什麼？
2. 在主動混頻器的實現中，LTC1043產生什麼作用？
答案請參閱學子專區部落格。
