高频电子线路ppt讲义4非线性电路、时变参量电路和变频器模板

2、掌握线性时变参量电路分析法。4、了解各种干扰，特别是混频器中所产生的干扰。3、掌握混频器的工作原理。1、掌握非线性电路地主要特点与分析方法。无线电元件线性元件时变参量元件非线性元件：元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压无关。：元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压有关。：元件参数按照一定规律随时间变化。图5.1.1串联电路线性电路时)(d)(1d)(d)(tttiCttiLtRiv时变线性电感电路时)(d)(1)]()([dd)(tttiCtitLtLtRiv非线性电感电路时)(d)(1)]()([dd)(tttiCtitLtLtRiv描述线性电路、时变参量电路和非线性电路的方程式分别是常系数线性微分方程、变系数线性微分方程和非线性微分方程。分析方法:图解法和解析法两类。•图解法:根据非线性元件的特性曲线和输入信号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形。•解析法:借助于非线性元件特性曲线的数学表示式列出电路方程，从而解得电路中的电流和电压。图5.2.1线性电阻的伏安特性曲线图5.2.2半导体二极管的伏安特性曲线与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是直线。Q1RQ1r一、非线性元件的工作特性图5.2.4线性电阻上的电压与电流波形图5.2.5正弦电压作用于二极管产生非正弦周期电流输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。电流中包含电压中没有的频率成分。二、非线性元件的频率变换作用传输特性:)()()(2i2i10otataatvvv设：tVtVti22m11mcoscos)(v则中有：)(otv直流分量；基波分量和谐波分量：21,212,2,组合频率分量：21“非线性”具有频率变换作用。三、非线性电路不满足叠加原理常用的非线性元件的特性曲线可表示为式中a0，a1，…，an为各次方项的系数，它们由下列通式表示)(vfii=a0+a1v+a2v2+a3v3+…+anvn+…)(!1d)(d!1)(nQQnVnnVfnfnavvv上述特性曲线可用幂级数表示为一、幂级数分析法若函数i=f(v)在工作点附近的各阶导数存在，可以在工作点附近展开为幂级数，即泰勒级数。工作点电流工作点处的电导工作点Q1:工作点Q2:在曲线上选择一个点代入方程，求解b2tVtVt221coscos)(m1mv从频域考察非线性能够揭示非线性的频率变换作用，因此，选择如下信号作为幂级数的输入电压。])cos()cos()!(!![02m21m10nmmnnmntVtVmnmnai将和项展开，可得i=a0+a1v+a2v2+a3v3+…+anvn+…三角积化和差公式：tttt)cos(21)cos(21coscos212121])cos()cos()!(!![022110nmmnnmntVtVmnmnaimm0qpqp,，,2,1,0,qpi中含有的频率成分：p+q≤nω0)(22m221m20VVaa222m222Va212m22m1343VVa212m22m1343VVa233m234Va22m1m233m23m212343VVaVaVa1221m2m12VVam2m12VVa1222m1m2343VVa1222m1m2343VVa122m122Va133m1341Va1m12m233m13m112343VVaVaVan最高次数为3的多项式的频谱结构图图5.3.3晶体三极管的转移特性曲线用折线近似信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换。二、折线分析法线性时变电路：指电路元件的参数按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。一、时变跨导电路分析tVVvmBBB00cosVsmVm0的情况下，工作点电压为：)(BECvfisBBEvvv其中：将集电极电流用泰勒级数在点展开Bv2sB''sB'B)(21)()(vvvvvfffiC振幅较大的振荡电压与幅度较小的任意形式电压信号同时作用于调谐放大器的非线性器件的输入端。若vs足够小，可以忽略上式中vs的二次方及其以上各次方项，将电压代人上式，得：当两个信号同时作用于一个非线性器件，其中一个振幅很小，处于线性工作状态，另一个为大信号工作状态时，可以使这一非线性系统等效为线性时变系统。tggtItIIimCmCCC01002010cos()2coscos(tVtgssmcos)2cos02图5.4.2晶体三极管差分对模拟乘法器原理电路二、模拟乘法器电路分析图5.4.3折线归一化电流与Ｚ值的关系只有两个输入电压幅度较小，晶体管处于线性区时，乘法器才呈现理想特性。21ovvvK图5.4.6大小两个信号同时作用于非线性元件时的原理性电路四、开关函数分析法图5.4.7开关的控制信号及其开关函数))((121LddvvtSRriω0)(22m221m20VVaa222m222Va212m22m1343VVa212m22m1343VVa233m234Va22m1m233m23m212343VVaVaVa1221m2m12VVam2m12VVa1222m1m2343VVa1222m1m2343VVa122122mVa133m1341Va1m12m233m13m112343VVaVaVatnntttSn2122)12cos()12()1(23cos32cos221)())((121LddvvtSRri在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从fs变换为固定fi的过程称为变频或混频。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF（以调幅为例）在接收机中，fi称为中频。一般其值为其中fo是本地振荡频率。soifff超外差式接收机1.定义举例经过混频器变频后，输出频率为soifffMHz)67.1(MHz)465.6165.2(～～MHz465.0混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。图5.4.2变频前后的频谱图2.混频的实质线性频率变换频谱搬移设：3.混频器的性能指标A.变频(混频)增益：混频器输出中频电压Vim与输入信号电压Vsm的幅值之比。B.噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。C.选择性：抑制中频以外的信号的干扰的能力。D.非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。1.电路)(BECvfisBBBEvvVv0将集电极电流用泰勒级数展开2sB''sB'B)(21)()(vvvvvfffiC图5.3.3折线法分析非线性电路VBB00iCtvBEvBEababa'b'时变电导v0vs图5.6.3混频管跨导随本振电压V０变化tggtg010cos)(2222maxminmax0maxminmax1gggggggg中频输出电流:tVgtVgismsmi1s01icos21)cos(21sB'B)()(vvvffiCtggtItIIimCmCCC01002010cos()2coscos(tVtgssmcos)2cos02smiVgI121其振幅:2.变频跨导1ic21gVIgsm输出的中频电流振幅与输入的高频信号电压振幅之比。tgtggtg020102coscos)(2201cos)(2TTtdttgTg3.跨导与本振的关系2max01minmaxggggg时，可得：当max14121gggc2)26(126/)7.0~35.0('bbETsEcrIIg实验证明：4.变频增益LocsciGgVgVLoccsivcGggVVAicLvcicLLoccicsLipcgGAgGGgggVGVA22222)(ociccpcocLgggAgG42max时，图5.6.1晶体管混频器的电路组态5.电路组态6.实际电路举例（图5.6.5某调幅通信机混频器电路）调谐于ωi调谐于ωs图5.6.6自激式变频器电路调谐于ωi调谐于ωs调谐于ω07.混频特点优点：有变频增益缺点：1）动态范围较小2）组合频率干扰严重3）噪声较大4）存在本地辐射如果V0mVsm,D1和D2工作于开关状态,开关函数为S(t),可得:)21)((1s0Ld1vvtSRri)21)((1s0Ld2vvtSRristSRriiiv)(1Ld21)21)((1s0Ld2,1vvtSRri二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同时，在输入端没有本振角频率ω0及其谐波分量的电压。...)12cos(π)12()1(2...3cos32cos221)(0100tnntttSnsLdsvtttRrtSRriii)5cos523cos32cos221(1)(1000Ld21v图5.7.2二极管环形混频器图5.7.3在本振电压正半周的环形混频器stSRriiiv)(1'Ld31图5.7.4在本振电压负半周的环形混频器sTtSRriiiv)2(1''Ld24sTtStSRriiiv)]2()([1'''LdtnnttTtStSn0100)12cos()12()1(43cos34cos4)2()(提供混频增益的同时，进一步减小输出信号频率成分。ssvttRrTtStSRriii)3cos34cos4(1)]2()([1'''00LdLdvtnnttTtStSn0100)12cos()12()1(43cos34cos4)2()(图5.8.1差分对混频器图5.8.2模拟乘法器混频器1.有用信号和本振产生的组合频率干扰——哨叫干扰现象：当接收机接收某一电台音频信号时，除了能听到有用信号外，还同时能听到音频的哨叫声。F为音频sqp0qp,soqp,qfpffFfisi01,1p+q≤n一、组合频率干扰(干扰哨声)和副波道干扰isfpqpf1当中频一定时，只要信号频率接近上式的值，就可能产生干扰哨叫声。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF（以调幅为例）哨叫干扰：将与有用信号叠加，并同时被中频放大器放大，然后检波输出。检波器除了输出有用信号的解调信号外，还伴有一个频率为F的音频信号，这就形成了哨叫干扰。举例：AM收音机有效波段为535～1605kHz，它的中频频率为465kHz。1605kHz535～无哨叫干扰FkHz465sisisqp,qfffpqfffpfs－或)()(FkHz465isispffqppffpq)()(或isfff2,1FFffkHzis9302在中频放大器的通频带宽度为9kHz，输入信号频率在925.5～934.5kHz的范围内，就将产生p＝l，q＝2的哨叫干扰。一次项：三次项：s1,0ffFfinoqp,qfpffifininfqfpffqfpf00考虑只有以下两式可能成立：iisinfqffqpfqfqpf1)(102.干扰信号和本振产生的副波道干扰原因：当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，在通频带以外的电台信号也有可能进入混频器的输入端而形成干扰。no