高頻電子線路：第五章 頻譜的線性搬移電路

1、5.1 非線性電路的分析方法5.2 二極管電路 5.3 差分對(duì)電路5.4 其它頻譜線性搬移電路第5章 頻譜的線性搬移電路2022/7/292中心頻率改變，頻譜結(jié)構(gòu)不變中心頻率改變，頻譜結(jié)構(gòu)改變 (a)與(b)都產(chǎn)生了新的頻率分量，都屬于非線性過(guò)程； (a)的中心頻率改變，頻譜結(jié)構(gòu)不變，稱為頻譜的線性搬移； (b)的中心頻率改變，頻譜結(jié)構(gòu)改變，稱為頻譜的非線性搬移。引言：線性搬移非線性搬移2022/7/2935.1 非線性電路的分析方法5.1.1 非線性函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)分析法2022/7/294工程計(jì)算工程計(jì)算所允許的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，盡量選取少量的項(xiàng)數(shù)近似線性近似二次項(xiàng)近似三次項(xiàng)近似小信號(hào)線性分析變

2、頻分析非線性分析2022/7/295非線性分析2022/7/296所有的頻率分量總是成對(duì)出現(xiàn)的：除了基波分量外，產(chǎn)生了新的頻率分量。諧波分量組合頻率分量頻率分量特性 偶次頻率分量的振幅（包括直流、偶次諧波、和p+q為偶數(shù)）只和冪級(jí)數(shù)偶次項(xiàng)系數(shù)有關(guān)；奇次頻率分量只和奇次項(xiàng)系數(shù)有關(guān)。 m次頻率分量，其振幅只和冪級(jí)數(shù)中m次項(xiàng)的系數(shù)有關(guān)。（p和q為包括零在內(nèi)的正整數(shù)）2022/7/297非線性電路完成頻譜的搬移輸入信號(hào)參考信號(hào)控制信號(hào)二次方項(xiàng)2022/7/2985.1.2 線性時(shí)變電路分析法對(duì)于弱信號(hào)：在控制信號(hào)的某一個(gè)瞬時(shí)值，電路所呈現(xiàn)的微分電導(dǎo)可以認(rèn)為是常數(shù)。時(shí)變電路：對(duì)于弱信號(hào)而言，可以看成是一

3、個(gè)參量隨時(shí)間變化的線性電路?？刂菩盘?hào)是時(shí)變信號(hào)，因此參變量是時(shí)變參量，所以電路稱為線性時(shí)變電路。若一個(gè)弱信號(hào)加在一個(gè)強(qiáng)的控制信號(hào)之上2022/7/299線性時(shí)變電路! 針對(duì)小信號(hào)的線性電路將三極管的轉(zhuǎn)移特性在 上展開(kāi)冪級(jí)數(shù)：若在以上電路中 為大信號(hào)， 為小信號(hào)2022/7/2910若控制信號(hào)（本振信號(hào)）為一單頻正弦波，則其時(shí)變跨導(dǎo)是周期函數(shù)。時(shí)變跨導(dǎo)時(shí)變靜態(tài)電流若在以上電路中 為大信號(hào)， 為小信號(hào)2022/7/2911輸出信號(hào)中含有的頻率分量2022/7/2912線性時(shí)變電路完成頻譜的搬移2022/7/29135.2 二極管電路 在大信號(hào)作用下，二極管電路為非線性電路，可以完成頻譜搬移功能。

4、二極管電路廣泛應(yīng)用于振幅調(diào)制、振幅解調(diào)、混頻等功能。 二極管電路具有電路簡(jiǎn)單、噪聲低、組合頻率分量少、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。 二極管電路的主要缺點(diǎn)是無(wú)增益。2022/7/29145.2.1 單二極管電路輸入信號(hào)參考信號(hào)控制信號(hào)非線性器件濾波器2022/7/29152022/7/2916時(shí)變電導(dǎo)2022/7/29172022/7/2918由以上分析可以看出，流過(guò)二極管的電流iD中的頻率分量有: (1) 輸入信號(hào)u1和控制信號(hào)u2的頻率分量1和2; (2) 控制信號(hào)u2的頻率2的偶次諧波分量; (3) 由輸入信號(hào)u1的頻率1與控制信號(hào)u2的奇次諧波分量的組合頻率分量(2n+1)21 ，n=0，1，2，

5、。 2022/7/2919如果假定條件不滿足：1）若U2較小，不足以使二極管工作在大信號(hào)狀態(tài)，二極管特性的折線近似就是不正確的了，因而后面的線性時(shí)變電路的等效也存在較大的問(wèn)題; 開(kāi)關(guān)函數(shù)法條件不滿足時(shí)，可以用級(jí)數(shù)展開(kāi)法分析。2）若U2 U1不滿足，等效的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)不僅僅是u2，還應(yīng)考慮u1的影響，這時(shí)等效的開(kāi)關(guān)函數(shù)的通角不是固定的2，而是隨u1變化的; 3）分析中還忽略了輸出電壓uo對(duì)回路的反作用，這是由于在U2U1的條件下，輸出電壓uo的幅度相對(duì)于u2而言，有U2 Uo，若考慮uo的反作用，對(duì)二極管兩端電壓uD的影響不大，頻率分量不會(huì)變化，uo的影響可能使輸出信號(hào)幅度降低。2022/7/2

6、9205.2.2 二極管平衡電路1. 電路 兩個(gè)二極管性能一致； 兩個(gè)中心抽頭變壓器的變比N1：N2=1：1。2022/7/29212. 工作原理假定條件： U2U1，二極管開(kāi)關(guān)主要受 控制； 忽略輸出電壓的反作用。2022/7/29222022/7/2923與單二極管電路相比較，二極管平衡電路的輸出電流中不包含 的基波分量和偶次諧波分量。其原因是：二極管平衡電路的對(duì)稱性和控制電壓相對(duì)于兩個(gè)二極管的同相性抵消了以上的頻率分量。2022/7/29242022/7/29252022/7/2926實(shí)際電路中，以下兩個(gè)條件往往不滿足：1. 兩個(gè)二極管性能一致；2. 變壓器抽頭完全準(zhǔn)確。這會(huì)導(dǎo)致電路不平

7、衡，使輸出端出現(xiàn)本振信號(hào)的基波分量（載漏）。為了減小不平衡的程度，需要在電路中采取以下措施：1. 在輸出變壓器的初級(jí)中心抽頭處接入50100歐姆的電位器；2. 在二極管支路中串入幾百歐姆的平衡電阻。2022/7/2927二極管橋式電路特點(diǎn)： 不需要具有中心抽頭的變壓器； 四只二極管接成橋路，控制電壓直接加在二極管上。原理電路實(shí)際電路橋路輸出加至晶體管基級(jí)，經(jīng)放大、濾波后輸出所需頻率分量。2022/7/29285.2.3 二極管環(huán)形電路1. 基本電路特點(diǎn)： 四只二極管方向一致，組成一個(gè)環(huán)路； 控制電壓正向加到VD1、 VD2，反向加到VD3、 VD4，隨著控制電壓的正負(fù)變化，兩組二極管交替導(dǎo)通和

8、截至。2022/7/2929平衡電路I平衡電路II二極管環(huán)形電路又稱為二極管雙平衡電路。2022/7/29302. 工作原理平衡電路I平衡電路II2022/7/2931環(huán)形電路的開(kāi)關(guān)函數(shù)波形圖2022/7/2932二極管環(huán)形電路的輸出頻率2022/7/2933實(shí)際的二極管環(huán)形電路為了解決二極管特性參差性問(wèn)題，將每臂用兩只二極管并聯(lián)。2022/7/2934雙平衡混頻器組件這種組件是由精密配對(duì)的肖特基二極管及傳輸線變壓器裝配而成，內(nèi)部元件用硅膠粘接，外部用小型金屬殼屏蔽。雙平衡混頻器組件的優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、損耗小、頻譜純、隔離度高，而且，三個(gè)端口可以互換。2022/7/2935例 2 在上

9、圖所示的雙平衡混頻器組件的本振口加輸入信號(hào)u1，在中頻口加控制信號(hào)u2，輸出信號(hào)從射頻口輸出，如右圖所示。忽略輸出電壓的反作用，可得加到四個(gè)二極管上的電壓分別為uD1=u1u2 uD2=u1+u2uD3= u1 u2 uD4= u1+u2由此可見(jiàn)，控制電壓u2 正相加到VD2、VD4的兩端，反向加到VD1、VD3兩端。由于有U2 U1，四個(gè)二極管的通斷受u2的控制，由此可得流過(guò)四個(gè)二極管的電流與加到二極管兩端的電壓的關(guān)系為線性時(shí)變關(guān)系，這些電流為：2022/7/2936i1=gDK(2t )uD1i2=gDK(2t)uD2i3=gDK(2t )uD3i4=gDK(2t)uD4這四個(gè)電流與輸出電

10、流i之間的關(guān)系為此結(jié)果表明：在其工作頻率范圍內(nèi)，從任意兩端口輸入u1和u2 ，就可在第三端口得到所需的輸出。2022/7/29372022/7/2938雙平衡混頻器組件有很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，除用作混頻器外，還可用作相位檢波器、脈沖或振幅調(diào)制器、2PSK調(diào)制器、電流控制衰減器和二倍頻器; 與其它電路配合使，可以組成更復(fù)雜的高性能電路組件。應(yīng)用雙平衡混頻器組件，可減少整機(jī)的體積和重量，提高整機(jī)的性能和可靠性，簡(jiǎn)化整機(jī)的維修，提高了整機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化程度。 2022/7/29395.3 差分對(duì)電路頻譜搬移電路的核心是相乘器。模擬相乘器的基本概念模擬相乘器是完成兩個(gè)模擬信號(hào)瞬時(shí)值相乘功能的電路

11、或器件。理想特性： 廣泛應(yīng)用于通信電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，檢波和混頻等功能。電路符號(hào)的三種表示方法：2022/7/2940線性與非線性如果其中一個(gè)輸入為控制信號(hào)，則可視為是時(shí)變參量器件模擬相乘器本質(zhì)上是一個(gè)非線性器件產(chǎn)生了新的頻率分量模擬相乘器可以做為線性器件和時(shí)變參量器件 如果其中一個(gè)輸入為直流，則可視為線性器件2022/7/2941四象限工作（四象限乘法器）2022/7/29425.3.1 單差分對(duì)電路1 電路兩管靜態(tài)工作電流相等2022/7/29432 傳輸特性2022/7/29442022/7/2945差分對(duì)的傳輸特性2022/7/2946差分對(duì)傳輸特性的討論1) 小信號(hào)輸入時(shí)2022/7

12、/29472)大信號(hào)輸入時(shí)TUu22022/7/29483）小信號(hào)運(yùn)用時(shí)的跨導(dǎo)4）輸出電流所含頻率分量的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：2022/7/29492022/7/29503 差分對(duì)頻譜搬移電路2022/7/29515.3.2 雙差分對(duì)電路又稱為吉爾伯特（Gilbert）乘法器單元電路，是大多數(shù)集成相乘器的核心部分。利用雙差分對(duì)，以獲得理想的相乘器功能,可在四個(gè)象限工作。對(duì)該電路進(jìn)一步的改進(jìn)，可以擴(kuò)展兩個(gè)輸入信號(hào)的線性輸入范圍。2022/7/29522022/7/2953大信號(hào)輸入時(shí)雙差分對(duì)電路的輸出電壓中含有兩輸入信號(hào)奇次諧波所構(gòu)成的組合頻率分量。因此，雙差分對(duì)電路不能等效為一理想的乘法器。2022

13、/7/2954小信號(hào)輸入時(shí) 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)輸入電壓的線性相乘； 動(dòng)態(tài)范圍太小， ； 增益系數(shù)和溫度T有關(guān)。2022/7/2955作為通用相乘器，Gilbert相乘器有如下缺點(diǎn)小信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍小電路的溫度穩(wěn)定性差為了克服上述缺點(diǎn)，需要在電路上采取措施線性電壓-電流變換反雙曲正切函數(shù)變換2022/7/2956用電阻負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)線性電壓-電流變換2022/7/2957反雙曲正切函數(shù)變換兩個(gè)輸入電壓的范圍得到擴(kuò)展，增益受穩(wěn)定影響小。2022/7/2958MC1596內(nèi)部電路負(fù)反饋電阻設(shè)置恒流源2022/7/29595.4 其他頻譜線性搬移電路5.4.1 晶體管頻譜線性搬移電路輸入信號(hào)幅度很小參考信號(hào)幅度很

14、大靜態(tài)工作點(diǎn)電壓 時(shí)變靜態(tài)工作點(diǎn)電壓輸入信號(hào)與參考信號(hào)都加到晶體管的發(fā)射結(jié)，利用其非線性特性，產(chǎn)生兩信號(hào)頻率的組合頻率分量，再經(jīng)集電極輸出回路選頻，從而達(dá)到頻譜線性搬移的目的。2022/7/2960晶體管頻譜線性搬移電路的基本形式廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信設(shè)備的接收機(jī)。及測(cè)量?jī)x器中。電路簡(jiǎn)單、要求本振信號(hào)幅度較小，有變頻增益。2022/7/2961以上電路：參考信號(hào) 為大信號(hào)，輸入信號(hào) 為小信號(hào)。對(duì)于輸入小信號(hào)：在參考信號(hào)的某一個(gè)瞬時(shí)值，電路所呈現(xiàn)的微分跨導(dǎo)可以認(rèn)為是常數(shù)。電路等效為：輸入信號(hào)為 ，工作點(diǎn)為 的小信號(hào)放大器。線性時(shí)變電路：時(shí)變跨導(dǎo)將三極管的轉(zhuǎn)移特性在 上展開(kāi)冪級(jí)數(shù)：2022/7/2962時(shí)變工作點(diǎn)電流：時(shí)變跨導(dǎo)：2022/7/2963和差頻項(xiàng) 有用信號(hào) 變頻跨導(dǎo) 輸出電流與輸入電壓幅度