第0章 緒論

1、第第0 0章章 緒論緒論 第第0章章 緒論緒論 0.1 電子線路的分類電子線路的分類 0.2 線性與非線性電子線路線性與非線性電子線路 0.3 非線性電子線路的應(yīng)用非線性電子線路的應(yīng)用 0.4 本課程的要求本課程的要求 第第0 0章章 緒論緒論 0.1 電子線路的分類電子線路的分類 包含有源器件的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為電子線路。 電子線路的分類方法: 按照工作頻率分類 按照流通的信號形式分類 根據(jù)集成度的高低分類 以電子線路中所包含的元件性質(zhì)分類 第第0 0章章 緒論緒論 按照工作頻率分類按照工作頻率分類 低頻電子線路、高頻電子線路和微波電子線路。 1、低頻通常指頻率低于300kHz的范圍: 語音的電信號

2、、生物電信號、地震電信號、機械振 動的電信號等 都屬這個范圍。所有在這個頻率范圍 的電信號的產(chǎn)生、放大、變換、處理 都屬于低頻電 子線路的范疇。 第第0 0章章 緒論緒論 2、高頻通常指頻率在300kHz300MHz的范圍: 廣播、電視、短波通信、移動通信等無線 電設(shè)備都工作在這個頻率范圍之內(nèi)。 3、微波泛指頻率高于300MHz以上的范圍。 衛(wèi)星電視、微波中繼通信、雷達、導航等設(shè) 備都工作在這個頻率范圍。 第第0 0章章 緒論緒論 工作頻率不同，對有源器件電性能的要 求、電子線路的工藝結(jié)構(gòu)都不盡相同。 隨著工作頻率的提高，對有源器件的上 限工作頻率的要求也隨之提高；器件本身 的分布參量，如晶體

3、管的極間電容、電極 的引線電感、載流子擴散漂移的時間等因 素的影響都會逐漸地明顯起來，以至變成 必須考慮的主要因素。 第第0 0章章 緒論緒論 模擬電子線路和數(shù)字電子線路。 所有完成模擬信號產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)?電子線路統(tǒng)稱為模擬電子線路。 模擬電子線路傳送的信號直觀形象，但電路的抗干擾 性能差，不便與計算機直接配合。 所有完成數(shù)字信號產(chǎn)生、放大、變換、處理及傳輸?shù)?電子線路統(tǒng)稱為數(shù)字電子線路。 數(shù)字電子線路傳送的信號是時間上和取值上都離散的 信號。 按照流通的信號形式分類按照流通的信號形式分類 第第0 0章章 緒論緒論 分立電路和集成電路 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子線路的集成度越來

4、越高， 集成電路已成為電子線路的方向。 集成電路與分立電路相比，集成電路具有體積小、性 能穩(wěn)定、可靠性高、維修使用方便等優(yōu)點。但是，由于 頻率響應(yīng)和功率容量的限制，目前高頻、大功率電子線 路還是以分立為主。 根據(jù)集成度的高低分類 第第0 0章章 緒論緒論 1、由線性元件組成的電子線路叫線性電子線路。 線性電路是用線性代數(shù)方程、線性微分方程或線性差 分方程來描述的。 2、含有非線性元件的電子線路叫非線性電子線路。 非線性電路是用非線性代數(shù)方程、非線性微分方程、 非線性差分方程來描述的。 以電子線路中所包含的元件性質(zhì)分類 第第0 0章章 緒論緒論 3、由恒定參數(shù)元件組成的電子線路叫恒定參 數(shù)電子線

5、路；描述恒定參數(shù)電路的方程式中的各 項系數(shù)是恒定不變的。 4、包含有時變參數(shù)元件的電子線路叫參變電 子線路或時變電路。描述參變電路的方程式中的 系數(shù)是變化的。 第第0 0章章 緒論緒論 0.2 線性與非線性電子線路線性與非線性電子線路 本課程研究的主要是非線性電子線路。 線性電子線路具有線性特性，也就是它 具有疊加性和均勻性，適用疊加定理。 第第0 0章章 緒論緒論 1、不具有疊加性和均勻性，不適用疊加定理。 2、在穩(wěn)定狀態(tài)之下，非線性電子線路輸出變量中包含有 輸入變量中不具有的頻率成分，即信號通過非線性電 子線路以后可以產(chǎn)生出新的頻率成分。 3、處于非線性狀態(tài)工作的有源器件，如晶體三極管、場

6、 效應(yīng)管、運算放大器等，它們的輸出響應(yīng)與器件工作 點的選取和輸入信號的大小有關(guān)。 4、描述非線性器件特性的參量有三種：靜態(tài)參量；動態(tài) 參量；折合參量（平均參量）。 5、數(shù)學描述是非線性方程。 非線性電子線路特點 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.1示出了晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性。 圖0.1(a)中，靜態(tài)工作點取在放大區(qū)，當輸入信號很小 時，可近似認為是線性工作。集電極電流的變化iC與輸 入信號ui近似為線性關(guān)系。隨著輸入信號幅度的增大，由 于器件的非線性，集電極電流開始出現(xiàn)失真，以至變?yōu)橛?弦脈沖形狀。 圖1.1(b)示出當靜態(tài)偏置電壓小于零，晶體管靜態(tài)處于 截止狀態(tài)時，隨著輸入信號的增加，集電極電

7、流開始為零， 以后變?yōu)橛嘞颐}沖的形狀。 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.1 非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點 和輸入信號大小的關(guān)系 (a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū) iC Q 0 0 tUBEQ iC uBE0 iC uBE ui Uimcost t (a) 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.1 非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點 和輸入信號大小的關(guān)系 (a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū) Q 0 iC uBE uBE0 0 iC t t ui Uimcost (b) 第第0 0章章 緒論緒論 描述非線性器件特性的參量有三種：靜態(tài)

8、參量，也稱 為直流參量；動態(tài)參量，也稱為交流參量；折合參量， 也稱為平均參量。 用這三種參量綜合起來描述一個非線性器件的工 作狀態(tài)。如晶體三極管在非線性狀態(tài)下工作，它的跨導 要用直流跨導、交流跨導和平均跨導三個參量來表述。 直流跨導就是靜態(tài)工作點的電流與靜態(tài)工作點的電 壓之比。如圖0.2(a)所示，直流跨導 0 CQ BEQ I g U (0.21) 第第0 0章章 緒論緒論 交流跨導是在靜態(tài)工作點處的電流增量與電壓增 量之比。如圖0.2(b)所示，交流跨導 C mQ BE i g u (0.22) 當輸入信號ui=Uimcost，晶體管的集電極電流 為余弦脈沖時(見圖0.1(b)，利用傅立葉

9、級數(shù)展開 012 coscos2 Cmm iIItIt 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.2 直流跨導與交流跨導 (a)直流跨導示意圖；(b)交流跨導示意圖 (a)(b) iC ICQ Q UBEQ uBE tan g0 0 UBEQ 0 uBE uBE iC Q tan gmiC ICQ 第第0 0章章 緒論緒論 其中包含有直流、基波和各次諧波分量。取其中 一個諧波分量的幅值Inm與輸入電壓幅值Uim相比，得到 的比值gcn就是第n次諧波的平均跨導。如二次諧波的平 均跨導為 2 2 m c im I g U (0.23) 第第0 0章章 緒論緒論 非線性電子線路的數(shù)學描述是非線性方程。 非線性

10、微分方程的精確求解是一個難題，時至今日， 二階以上的非線性微分方程還沒有實用的求解方法。在 工程上一直沿用的是近似解法，本書也將采用這種方法。 隨著計算技術(shù)的發(fā)展，二階以下的非線性微分方程可 以采用計算機數(shù)值解法，這種方法將會逐步走向?qū)嵱谩?第第0 0章章 緒論緒論 0.3 非線性電子線路的應(yīng)用非線性電子線路的應(yīng)用 非線性電子線路廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)的各個領(lǐng) 域，在通信方面的應(yīng)用尤為突出。通信的任務(wù)是傳送 信息。信息包括語言、音樂、文字、圖像、數(shù)據(jù)等各 種信號。通信系統(tǒng)由發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備組成， 如圖0.3所示。 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.3 通信系統(tǒng)的框圖 發(fā) 端 用 戶 發(fā) 送

11、 設(shè) 備 信 道 接 收 設(shè) 備 收 端 用 戶 第第0 0章章 緒論緒論 信道是傳送信息的通道。無線通信的信道是大氣空間； 有線通信的信道是傳輸線，如電線、電纜、光纜等。 通信的種類很多，如人們生活中常見的電話、電報、 電視、廣播、傳真、衛(wèi)星通信、載波電話、計算機通信 等等。這些通信中應(yīng)用的電子線路種類很多。 第第0 0章章 緒論緒論 在無線電通信系統(tǒng)中，信道便是指大氣層或外層空間。 信號在傳輸過程中，不可避免地會受到各種噪聲的干擾。 噪聲按其來源一般可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。 外部噪聲包括自然界存在的各種電磁波源(閃電、宇宙星 體、大氣熱輻射等)發(fā)出的噪聲，工業(yè)上強力電機與電焊 機等

12、工作時造成的工業(yè)噪聲和其它無線電設(shè)備發(fā)射的信 號等等。內(nèi)部噪聲則是指系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。 接收設(shè)備把有用信號從眾多情號和噪聲中選取出經(jīng) 換能器恢復出原始信息。以上就是通信的整個過程。 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.4示出了無線廣播發(fā)送與接收的框圖，其中，圖 0.4(a)示出了無線廣播發(fā)射機的框圖。 圖0.4(b)示出了接收機的框圖，天線中感生的無線電 信號，經(jīng)過輸入回路的選擇，取出要收聽的已調(diào)波信號， 經(jīng)過高頻放大器放大，把信號送入到混頻器中。 第第0 0章章 緒論緒論 (a) 主振蕩器倍頻放大調(diào)制器功放 f0nf0 fpfp 音頻 放大 聲音 拾音器 F 圖0.4 無線廣播發(fā)送設(shè)備

13、與接收設(shè)備框圖 (a)發(fā)送設(shè)備；(b)接收設(shè)備 第第0 0章章 緒論緒論 由天線理論可知：由天線理論可知： 要將無線電信號有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須相 電信號的波長為同一數(shù)量級。由原始非電量信息經(jīng)轉(zhuǎn)換 而成的原始電信號一般是低頻信號，波長很長。 例如：音頻傳號一般僅在15kH：以內(nèi)，對應(yīng)波長為20 km以上，要制造出相應(yīng)的巨大天線是不現(xiàn)實的。 另外，即使這樣巨大的天線能夠制造出來，由于各個 發(fā)射臺發(fā)射的均為同一頻段的低頻信號，在信道中會互 相重疊、干擾，接收設(shè)備也無法選擇所要接收的信號。 第第0 0章章 緒論緒論 為了有效地進行傳輸，必須采用幾百干赫茲以上的高頻 振蕩信號作為運載工具，將攜

14、帶信息的低頻電信號“裝載” 到 高額振蕩信號上(這一過程稱為調(diào)制)，然后經(jīng)天線發(fā)送出去。 到了接收端再把低頻電信號從高頻振蕩信號上“卸取” 下來(這一過程稱為解調(diào))。其中，未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號 稱為載波信號，低頻電信號稱為調(diào)制信號，經(jīng)過調(diào)制并攜帶 有低頻倍息的高頻振蕩信號稱為已調(diào)波信號。 采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻已調(diào)波信號， 故所需天線尺寸便可大大縮小。另外，不同的發(fā)射臺可 以采用不同頻率的高頻振蕩信號作為載波，這樣在頻譜 上就可以互相區(qū)分開了。 第第0 0章章 緒論緒論 調(diào)制是指用原始電信號去控制高頻振蕩信號的某一 參數(shù)，使之隨原始電信號的變比規(guī)律而變化。 解調(diào)就是從高頻已調(diào)波中

15、恢復原來的調(diào)制信號。若采 用正弦波信號作為高頗振蕩信號由于其主要參數(shù)是振 幅、頻率和相位，因而出現(xiàn)了振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相 位調(diào)制(后兩種臺稱為角度調(diào)制)等不同的調(diào)制方式。 第第0 0章章 緒論緒論 圖0.4 無線廣播發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備框圖 (a)發(fā)送設(shè)備；(b)接收設(shè)備 (b) 輸入 回路 高頻 放大器 混頻 中頻 放大器 檢波 fs fi fl fs 本地 振蕩器 揚聲器 fsfsfi F f1 音頻 放大 第第0 0章章 緒論緒論 0.4 本課程的要求本課程的要求 首先，本課程的出發(fā)點是使讀者在掌握典 型非線性電子線路原理的基礎(chǔ)上，學會非線性 電子線路的分析方法。 各種電子線路歸結(jié)起來都

16、是有源器件與無 源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，因此，對電子線路的研究就要 從有源器件的特性和無源網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性兩個 方面入手。 第第0 0章章 緒論緒論 各種各樣的電子線路的不同之處就 在于這兩個方面特性的不同，相互結(jié)合 的條件不同。 學習電子線路既要正確認識各種電 路的共性，又要善于抓住其個性,也就是 要善于正確認識各種電子線路的應(yīng)用條 件、特點。為此，必須學會辯證的思維 方法，善于全面地、客觀地認識問題。 第第0 0章章 緒論緒論 第二，非線性電子線路的嚴格分析需要建 立和求解非線性微分方程，因而是非常困難的， 甚至是不可能的。則目前采用的多是工程近似 分析方法，近似都是有條件約束的。 掌握工程近似方法，必須學會邏輯推理， 善于應(yīng)用所學的知識進行推理。 在未能進行嚴格的數(shù)學運算證明之前，能 夠運用所學理論進行推理，預知可能的正確結(jié) 果，這點對工程技術(shù)人員來說也是一種基本能 力。學會推理，分清主次，才能正確近似。 第第0 0章章 緒論緒論 第三，非線性電路較之線性電路要復雜，它所涉 及的知識面要廣，因此