高頻電子線路ppt講義4非線性電路、時變參量電路及變頻器

1、4 4 非線性電路、時變參量電路和變頻器非線性電路、時變參量電路和變頻器2、掌握、掌握線性時變參量電路分析法。線性時變參量電路分析法。4、了解各種干擾，特別是混頻器中所產(chǎn)生、了解各種干擾，特別是混頻器中所產(chǎn)生的干擾。的干擾。3、掌握混、掌握混頻器的工作原理。頻器的工作原理。4.1 4.1 概述概述無線電元件無線電元件線性元件線性元件時變參量元件時變參量元件非線性元件非線性元件：元件參數(shù)與通過元件的電流：元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓無關(guān)。或施于其上的電壓無關(guān)。：元件參數(shù)與通過元件的電流：元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓有關(guān)?；蚴┯谄渖系碾妷河嘘P(guān)。：元件參數(shù)按照一定規(guī)律隨：元件

2、參數(shù)按照一定規(guī)律隨時間變化。時間變化。線性電路時線性電路時)(d)(1d)(d)(tttiCttiLtRiv時變線性電感電路時時變線性電感電路時)(d)(1)()(dd)(tttiCtitLtLtRiv非線性電感電路時非線性電感電路時)(d)(1)()(dd)(tttiCtitLtLtRiv描述線性電路、時變參量電路和非線性電路的方程式描述線性電路、時變參量電路和非線性電路的方程式分別是常系數(shù)線性微分方程、變系數(shù)線性微分方程和非線性分別是常系數(shù)線性微分方程、變系數(shù)線性微分方程和非線性微分方程。微分方程。分析方法分析方法:圖解法和解析法兩類。圖解法和解析法兩類。圖解法圖解法: 根據(jù)非線性元件的特

3、性曲線和輸入信號波形，根據(jù)非線性元件的特性曲線和輸入信號波形，通過作圖直接求出電路中的電流和電壓波形。通過作圖直接求出電路中的電流和電壓波形。解析法解析法: 借助于非線性元件特性曲線的數(shù)學(xué)表示式借助于非線性元件特性曲線的數(shù)學(xué)表示式列出電路方程，從而解得電路中的電流和電壓。列出電路方程，從而解得電路中的電流和電壓。4.2 4.2 非線性元件的特性非線性元件的特性Q1RQ1r一、一、非線性元件的工作特性非線性元件的工作特性二、二、非線性元件的頻率變換作用非線性元件的頻率變換作用傳輸特性傳輸特性: )()()(2i2i10otataatvvv設(shè)：設(shè)：tVtVti22m11mcoscos)(v則則 中

4、有：中有：)(otv 直流分量；直流分量； 基波分量和諧波分量：基波分量和諧波分量：21,212 ,2,組合頻率分量：組合頻率分量：21“非線性非線性”具有具有頻率變換頻率變換作用。作用。三、三、非線性電路不滿足疊加原理非線性電路不滿足疊加原理4.3 4.3 非線性電路分析法非線性電路分析法常用的非線性元件的特性曲線可表示為常用的非線性元件的特性曲線可表示為式中式中a0 0，a1 1， ，an n為各次方項(xiàng)的系數(shù)，它們由下為各次方項(xiàng)的系數(shù)，它們由下列通式表示列通式表示)(vfi i = a0+a1v+a2v2+a3v3+ +anvn+)(!1d)(d!1)(nQQnVnnVfnfnavvv上述

5、特性曲線可用冪級數(shù)表示為上述特性曲線可用冪級數(shù)表示為一、一、冪級數(shù)分析法冪級數(shù)分析法若函數(shù)若函數(shù)i=f(v)在工作點(diǎn)附近的各階導(dǎo)數(shù)存在，可以在工作點(diǎn)附近展開在工作點(diǎn)附近的各階導(dǎo)數(shù)存在，可以在工作點(diǎn)附近展開為冪級數(shù)，即泰勒級數(shù)。為冪級數(shù)，即泰勒級數(shù)。工作點(diǎn)電流工作點(diǎn)電流工作點(diǎn)處的電導(dǎo)工作點(diǎn)處的電導(dǎo)工作點(diǎn)工作點(diǎn)Q1:工作點(diǎn)工作點(diǎn)Q2:在曲線上選擇一個點(diǎn)代入方程，在曲線上選擇一個點(diǎn)代入方程，求解求解b2tVtVt221coscos)(m1mv 從頻域考察非線性能夠揭示非線性的頻率變換作從頻域考察非線性能夠揭示非線性的頻率變換作用，因此，選擇如下信號作為冪級數(shù)的輸入電壓。用，因此，選擇如下信號作為冪級

6、數(shù)的輸入電壓。)cos()cos()!( !02m21m10nmmnnmntVtVmnmnai將和項(xiàng)展開，可得將和項(xiàng)展開，可得i = a0+a1v+a2v2+a3v3+ +anvn+三角積化和差公式：三角積化和差公式： tttt)cos(21)cos(21coscos212121)cos()cos()!( !022110nmmnnmntVtVmnmnaimm0qpqp,，, 2, 1, 0, qpi中含有的頻率成中含有的頻率成分分： p + q n0)(22m221m20VVaa222m222Va212m22m1343VVa212m22m1343VVa233m234Va22m1m233m23m

7、212343VVaVaVa1221m2m12VVam2m12VVa1222m1m2343VVa1222m1m2343VVa122m122Va133m1341Va1m12m233m13m112343VVaVaVan最高次數(shù)為最高次數(shù)為3的多項(xiàng)式的頻譜結(jié)構(gòu)圖的多項(xiàng)式的頻譜結(jié)構(gòu)圖 信號較大時，所有信號較大時，所有實(shí)際的非線性元件幾乎實(shí)際的非線性元件幾乎都會進(jìn)入飽和或截止?fàn)疃紩M(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)。此時，元件的非線態(tài)。此時，元件的非線性特性的突出表現(xiàn)是截性特性的突出表現(xiàn)是截止、導(dǎo)通、飽和等幾種止、導(dǎo)通、飽和等幾種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。二、二、折線分析法折線分析法4.44.4線性時變參量

8、電路分析法線性時變參量電路分析法 線性時變電路：指電路元件的參數(shù)按一定線性時變電路：指電路元件的參數(shù)按一定規(guī)律隨時間變化，且這種變化與元件的電流或規(guī)律隨時間變化，且這種變化與元件的電流或電壓無關(guān)。電壓無關(guān)。 一、一、時變跨導(dǎo)電路分析時變跨導(dǎo)電路分析tVVvmBBB00cosVsmVm0的情況下，工作點(diǎn)電壓為：的情況下，工作點(diǎn)電壓為：)(BECvfi sBBEvvv其中：將集電極電流用泰勒級數(shù)在將集電極電流用泰勒級數(shù)在 點(diǎn)展開點(diǎn)展開Bv 2sB sBB)(21)()(vvvvvfffiC 振幅較大的振蕩電壓與幅度振幅較大的振蕩電壓與幅度較小的任意形式電壓信號同時作較小的任意形式電壓信號同時作用于

9、調(diào)諧放大器的非線性器件的用于調(diào)諧放大器的非線性器件的輸入端。輸入端。 若若vs s足夠小，可以忽略上式中足夠小，可以忽略上式中vs s的二次方及其以上的二次方及其以上各次方項(xiàng)，將電壓代人上式，得：各次方項(xiàng)，將電壓代人上式，得： 當(dāng)兩個信號同時作用于一個非線性器件，其中當(dāng)兩個信號同時作用于一個非線性器件，其中一個振幅很小，處于線性工作狀態(tài)，另一個為大信一個振幅很小，處于線性工作狀態(tài)，另一個為大信號工作狀態(tài)時，可以使這一非線性系統(tǒng)等效為線性號工作狀態(tài)時，可以使這一非線性系統(tǒng)等效為線性時變系統(tǒng)。時變系統(tǒng)。tggtItIIimCmCCC01002010cos()2coscos(tVtgssmcos)2

10、cos02 二、二、模擬乘法器電路分析模擬乘法器電路分析21ovvvK四、四、開關(guān)函數(shù)分析法開關(guān)函數(shù)分析法)(121Lddvv tSRri0)(22m221m20VVaa222m222Va212m22m1343VVa212m22m1343VVa233m234Va22m1m233m23m212343VVaVaVa1221m2m12VVam2m12VVa1222m1m2343VVa1222m1m2343VVa122122mVa133m1341Va1m12m233m13m112343VVaVaVa tnntttSn2122) 12cos() 12 () 1( 23cos32cos221)()(121

11、Lddvv tSRri4.5 4.5 變頻器的工作原理變頻器的工作原理 在保持相同調(diào)制規(guī)律的條件下，將輸入已調(diào)信號的在保持相同調(diào)制規(guī)律的條件下，將輸入已調(diào)信號的載波頻率從載波頻率從fs變換為固定變換為固定fi的過程稱為的過程稱為變頻或混頻變頻或混頻。 高 頻 放 大 fs fs 本 地 振 蕩 fo 混 頻 fofs=fi fi 低 頻 放 大 檢 波 中 頻 放 大 F F （以調(diào)幅為例（以調(diào)幅為例 ） 在接收機(jī)中，在接收機(jī)中， fi稱為中頻。一般其值為稱為中頻。一般其值為其中其中fo是本地振蕩頻率。是本地振蕩頻率。soifff 超外差式接收機(jī)超外差式接收機(jī) 1.1.定義定義舉例舉例 經(jīng)過混

12、頻器變頻后，輸出頻率為經(jīng)過混頻器變頻后，輸出頻率為soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0 混頻的結(jié)果：混頻的結(jié)果：較高的不同的載波頻率變?yōu)楣梯^高的不同的載波頻率變?yōu)楣潭ǖ妮^低的載波頻率，而振幅包絡(luò)形狀不變。定的較低的載波頻率，而振幅包絡(luò)形狀不變。2.2.混頻的實(shí)質(zhì)混頻的實(shí)質(zhì) 線性頻率變換線性頻率變換 頻譜搬移頻譜搬移 設(shè)：3.3.混頻器的性能指標(biāo)混頻器的性能指標(biāo)A.A.變頻變頻( (混頻混頻) )增益：增益：混頻器輸出中頻電壓混頻器輸出中頻電壓V Vimim與輸入信號電壓與輸入信號電壓V Vsmsm的的幅值之比。幅值之比。B.B.噪聲系數(shù)：噪聲

13、系數(shù)：高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。C.C.選擇性：選擇性：抑制中頻以外的信號的干擾的能力。抑制中頻以外的信號的干擾的能力。D.D.非線性干擾：非線性干擾：抑制組合頻率干擾、交調(diào)、互調(diào)干擾等干擾的能力。抑制組合頻率干擾、交調(diào)、互調(diào)干擾等干擾的能力。4.6 4.6 晶體管混頻器晶體管混頻器1.1.電路電路)(BECvfi sBBBEvvVv0將集電極電流用泰勒級數(shù)展開將集電極電流用泰勒級數(shù)展開 2sB sBB)(21)()(vvvvvfffiC VBB 0 0 iC t vBE vBE a b a b a b 時變電導(dǎo)時變電導(dǎo)v0vstggt

14、g010cos)(2222maxminmax0maxminmax1gggggggg中頻輸出電流中頻輸出電流: : tVgtVgismsmi1s01icos21)cos(21sBB)()(vvvffiCtggtItIIimCmCCC01002010cos()2coscos(tVtgssmcos)2cos02 smiVgI121其振幅其振幅: : 2.2.變頻跨導(dǎo)變頻跨導(dǎo)1ic21gVIgsm 輸出的中頻電流振幅與輸入的高頻信號電壓輸出的中頻電流振幅與輸入的高頻信號電壓振幅之比。振幅之比。 tgtggtg020102coscos)(2201cos)(2TTtdttgTg3.3.跨導(dǎo)與本振的關(guān)系跨導(dǎo)

15、與本振的關(guān)系 2max01minmaxggggg時，可得：當(dāng)max14121gggc2)26(126/)7 . 035. 0(bbETsEcrIIg實(shí)驗(yàn)證明：4.4.變頻增益變頻增益 LocsciGgVgVLoccsivcGggVVAicLvcicLLoccicsLipcgGAgGGgggVGVA22222)(ociccpcocLgggAgG42max時，5.5.電路組態(tài)電路組態(tài)6.6.實(shí)際電路舉例（實(shí)際電路舉例（ 調(diào)諧于調(diào)諧于i調(diào)諧于調(diào)諧于s 調(diào)諧于調(diào)諧于i調(diào)諧于調(diào)諧于s調(diào)諧于調(diào)諧于07.7.混頻特點(diǎn)混頻特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：有變頻增益優(yōu)點(diǎn)：有變頻增益 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1）動態(tài)范圍較小）動態(tài)范圍較小 2）組

16、合頻率干擾嚴(yán)重）組合頻率干擾嚴(yán)重 3）噪聲較大）噪聲較大 4）存在本地輻射）存在本地輻射4.7 4.7 二極管混頻器二極管混頻器)21)(1s0Ld1vv tSRri)21)(1s0Ld2vv tSRristSRriiiv )(1Ld21)21)(1s0Ld2, 1vv tSRri.) 12cos() 12() 1( 2.3cos32cos221)(0100tnntttSnsLdsvtttRrtSRriii)5cos523cos32cos221(1)(1000Ld21vstSRriiiv )(1 Ld31sTtSRriiiv )2(1 Ld2424sTtStSRriiiv)2()(1 Ld t

17、nnttTtStSn0100) 12cos() 12() 1(43cos34cos4)2()(ssvttRrTtStSRriii)3cos34cos4(1)2()(1 00LdLdv tnnttTtStSn0100) 12cos() 12() 1( 43cos34cos4)2()(4.8 4.8 差分對模擬乘法器差分對模擬乘法器4.9 4.9 混頻器中的干擾混頻器中的干擾1. 有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾 哨叫干擾哨叫干擾現(xiàn)象：現(xiàn)象：當(dāng)接收機(jī)接收某一電臺音頻信號時，除了能聽當(dāng)接收機(jī)接收某一電臺音頻信號時，除了能聽到有用信號外，還同時能聽到音頻的哨叫聲。到有用

18、信號外，還同時能聽到音頻的哨叫聲。F為音頻為音頻sqp0qp,soqp,qfpffFf isi01 , 1p + q nisfpqpf1 當(dāng)中頻一定時，只要信號頻率接近上式當(dāng)中頻一定時，只要信號頻率接近上式的值，就可能產(chǎn)生干擾哨叫聲。的值，就可能產(chǎn)生干擾哨叫聲。 高 頻 放 大 fs fs 本 地 振 蕩 fo 混 頻 fofs=fi fi 低 頻 放 大 檢 波 中 頻 放 大 F F （以調(diào)幅為例（以調(diào)幅為例 ） 哨叫干擾：哨叫干擾：將與有用信號疊加，并同時被中頻將與有用信號疊加，并同時被中頻放大器放大，然后檢波輸出。放大器放大，然后檢波輸出。 檢波器除了輸出有用信號的解調(diào)信號外，還伴有一

19、檢波器除了輸出有用信號的解調(diào)信號外，還伴有一個頻率為個頻率為F的音頻信號，這就形成了哨叫干擾。的音頻信號，這就形成了哨叫干擾。 舉例：舉例：AM收音機(jī)有效波段為收音機(jī)有效波段為5351605kHz，它的中頻，它的中頻頻率為頻率為465kHz。1605kHz535無哨叫干擾無哨叫干擾FkHz465sisisqp,qfffpqfffpfs或)()(FkHz465isispffqppffpq)()(或isfff2, 1FFffkHzis9302 在中頻放大器的通頻帶寬度為在中頻放大器的通頻帶寬度為9kHz，輸入信號頻率，輸入信號頻率在在925.5 934.5kHz的范圍內(nèi)，就將產(chǎn)生的范圍內(nèi)，就將產(chǎn)生

20、pl，q2的的哨叫干擾。哨叫干擾。一次項(xiàng)：一次項(xiàng)：三次項(xiàng)：三次項(xiàng)：s1 , 0ffFf inoqp,qfpffifinin fqfpffqfpf00考慮只有以下兩式可能成立：考慮只有以下兩式可能成立：iisinfqffqpfqfqpf1)(102. 干擾信號和本振產(chǎn)生的副波道干擾干擾信號和本振產(chǎn)生的副波道干擾原因：原因：當(dāng)混頻器前級的天線和高頻放大電路的選頻特當(dāng)混頻器前級的天線和高頻放大電路的選頻特性不理想時，在通頻帶以外的電臺信號也有可能進(jìn)入性不理想時，在通頻帶以外的電臺信號也有可能進(jìn)入混頻器的輸入端而形成干擾?；祛l器的輸入端而形成干擾。noqp,qfpffif 這時，頻率為這時，頻率為fn

21、的干擾信號便順利進(jìn)入中頻放大器，的干擾信號便順利進(jìn)入中頻放大器，經(jīng)檢波后可聽到這一干擾電臺的信號。由于它是主波經(jīng)檢波后可聽到這一干擾電臺的信號。由于它是主波道以外的波道對有用信號形成的干擾，所以稱為副波道以外的波道對有用信號形成的干擾，所以稱為副波道干擾，又稱寄生通道干擾。道干擾，又稱寄生通道干擾。1）中頻干擾）中頻干擾1, 0 qp一次項(xiàng)：一次項(xiàng)：iffn 由于混頻器對中頻信號具有良好的放大性能，傳由于混頻器對中頻信號具有良好的放大性能，傳送至中頻放大器的中頻干擾信號有可能比有用信號更送至中頻放大器的中頻干擾信號有可能比有用信號更強(qiáng)。強(qiáng)。2）鏡像干擾）鏡像干擾1, 1 qp二次項(xiàng)：二次項(xiàng)：i

22、si0n2fffff 這種干擾對于混頻器和中頻放大器來說，其傳輸這種干擾對于混頻器和中頻放大器來說，其傳輸能力與有用信號完全相同，所以它將順利地通過中頻能力與有用信號完全相同，所以它將順利地通過中頻放大器經(jīng)檢波而造成嚴(yán)重的干擾。放大器經(jīng)檢波而造成嚴(yán)重的干擾。干擾信號對有用信號調(diào)制產(chǎn)生的交叉調(diào)制干擾干擾信號對有用信號調(diào)制產(chǎn)生的交叉調(diào)制干擾現(xiàn)象：現(xiàn)象：當(dāng)接收機(jī)調(diào)諧在有用信號的頻率上時，干擾電當(dāng)接收機(jī)調(diào)諧在有用信號的頻率上時，干擾電臺的調(diào)制信號聽得清楚，而當(dāng)接收機(jī)對有用信號頻率臺的調(diào)制信號聽得清楚，而當(dāng)接收機(jī)對有用信號頻率失諧時，干擾電臺調(diào)制信號的可聽度減弱，并隨著有失諧時，干擾電臺調(diào)制信號的可聽度

23、減弱，并隨著有用信號的消失而完全消失，換句話說，好象干擾電臺用信號的消失而完全消失，換句話說，好象干擾電臺的調(diào)制轉(zhuǎn)移到了有用信號的載波上。的調(diào)制轉(zhuǎn)移到了有用信號的載波上。 2n1ns0nm,q,p,nfmfqfpff二、二、交叉調(diào)制交叉調(diào)制(交調(diào)交調(diào))成因成因: 若有用信號和干擾信號均為調(diào)幅波，混頻器的若有用信號和干擾信號均為調(diào)幅波，混頻器的非理想相乘特性會使有用信號的各頻率分量的幅度受非理想相乘特性會使有用信號的各頻率分量的幅度受干擾信號的幅度影響，其包跡發(fā)生變化。干擾信號的幅度影響，其包跡發(fā)生變化。 分析表明，非理想相乘特性的四次項(xiàng)中所含的分析表明，非理想相乘特性的四次項(xiàng)中所含的v0 vs vn2項(xiàng)將產(chǎn)生寄生中頻信號，項(xiàng)將產(chǎn)生寄生中頻信號，；200cos)(cos)()cos(ttVttVtVnnsm22cos1cos2ttnn三、互相調(diào)制（互調(diào)）三、互相調(diào)制（互調(diào)） 210,nnsnmqpnfmfqfpff成因：成因：在輸入有用信號的同時，有兩個干擾信號在輸入有用信號的同時，有兩個干擾信號vn1(t)和和vn2(t)也作用于混頻器輸入端也作用于混頻器輸入端, ,使混頻器的輸入端同使混頻器的輸入端同時作用了包括本機(jī)振蕩共時作用了包括本機(jī)振蕩共4 4個輸入信號，這兩個干擾個輸入信號，這兩個干