高頻電子線路非線性電路時(shí)變參量電路和變頻器

1、第四章 非線性電路、時(shí)變參量電路和變頻器第一節(jié)：概述第二節(jié)：非線性元件的特征第三節(jié)：非線性電路分析法第四節(jié)：線性時(shí)變參量電路分析法第五節(jié)：變頻器的工作原理第六節(jié)：晶體管混頻器第七節(jié)：二極管混頻器第八節(jié)：差分對(duì)模擬乘法器混頻電路第九節(jié)：混頻器中的干擾第十節(jié)：外部干擾本章重點(diǎn)1、非線性電路的特點(diǎn)。 2、非線性電路的冪級(jí)數(shù)分析法。3、線性時(shí)變參量電路的特點(diǎn)。4、開關(guān)函數(shù)分析法與二極管混頻器。5、變頻器的工作原理。6、模擬乘法器的基本電路與工作原理。7、混頻器中的干擾類型。常用的無線電元件有三類：線性元件：元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓無關(guān)非線性元件：參數(shù)與通過它的電流或施于其上的電壓有關(guān)時(shí)

2、變參量元件：參數(shù)按照一定規(guī)律隨時(shí)間變化概 述第一節(jié)非線性電路的特性線性元件非線性元件工作特性頻率變換作用疊加原理滿足不滿足無頻率變化產(chǎn)生新的頻率直線關(guān)系正向：指數(shù)曲線反向：數(shù)值很小的反向飽和電流第二節(jié)非線性電路分析法線性時(shí)變電路分析法圖解法解析法非線性元件時(shí)變參量元件冪級(jí)數(shù)分析法指數(shù)函數(shù)分析法折線分析法開關(guān)函數(shù)法工程近似分析法第三節(jié)一、冪級(jí)數(shù)分析法 常用的非線性元件的特性曲線均可用冪級(jí)數(shù)表示，如： 利用泰勒級(jí)數(shù)展開：靜態(tài)工作點(diǎn)電流靜態(tài)工作點(diǎn)處的電導(dǎo)第三節(jié)第三節(jié)例4.3.1 PAGE133圖4.3.2是二極管2AP12的伏案特性曲線。設(shè)直流偏壓V0=0.4V,信號(hào)電壓振幅最大不超過 。試求該特性

3、曲線在直流偏壓附近的冪級(jí)數(shù)近似表示式。解：由于工作范圍局限于特性曲線的起始彎曲部分，因此可以用冪級(jí)數(shù)的前三項(xiàng)來近似，即：由圖4.3.2可知：當(dāng)v=V0=0.4V時(shí)，i=I0=b0=8mA選擇一個(gè)點(diǎn)，如B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)，v=0.6V，iB=18mA代入上式，得：第三節(jié)解得：最后得到近似函數(shù)表示為：例4.3.2 某非線性元件的伏安特性曲線如下圖所示。為了用作線性放大，工作點(diǎn)應(yīng)如何選?。窟x定工作點(diǎn)后，試求輸出電流。設(shè)輸入信號(hào)為： 。第三節(jié)例4.3.2 某非線性元件的伏安特性曲線如下圖所示。為了用作線性放大，工作點(diǎn)應(yīng)如何選??？選定工作點(diǎn)后，試求輸出電流。設(shè)輸入信號(hào)為： 。解：選擇特性曲線與其切線的交點(diǎn)

4、 為靜態(tài)工作點(diǎn)Q（0.33，75）。由于是線性放大，故在Q點(diǎn)附近可用泰勒級(jí)數(shù)前兩項(xiàng)表示故：二、折線分析法 適用于大信號(hào)情況。在大信號(hào)條件下，忽略icu非線性特性尾部的彎曲部分，由AB、BC兩個(gè)直線段所組成的折線來近似代替實(shí)際的特性曲線，而不會(huì)造成多大的誤差。 用數(shù)學(xué)式表示為：其中：VBZ晶體管特性曲線折線化后的截止電壓 gc 跨導(dǎo)，即直線BC的斜率第三節(jié)第四節(jié)線性時(shí)變參量電路分析法 時(shí)變參量元件：其參數(shù)按照某一方式隨時(shí)間變化而變化的線性元件。一、時(shí)變跨導(dǎo)電路分析法 按簡(jiǎn)諧振蕩規(guī)律改變晶體管工作點(diǎn)，從而改變其跨導(dǎo)。晶體管的電流源(小信號(hào)工作狀態(tài))： 在V0mVsm的情況下，可以認(rèn)為電路是具有信號(hào)

5、電壓vs、工作點(diǎn)電壓為：的小信號(hào)放大器。第四節(jié) 由于vB值很小，可以忽略二次方及其以上各項(xiàng)，得近似方程： 在忽略晶體管內(nèi)部反饋和集電極電壓反作用的情況下，基極電壓與集電極電流的函數(shù)關(guān)為： 式中將上式用泰勒級(jí)數(shù)在vB點(diǎn)展開，得： 。式中， 和 分別為vBE=vB時(shí)的集電極電流和晶體管跨導(dǎo)，它們都是簡(jiǎn)諧振蕩電壓v0的函數(shù)。將 帶入上式中，得：第四節(jié)二、模擬乘法器電路分析法 利用差分對(duì)乘法器組成集成電路的一種分析方法。 圖中T1與T2組成模擬差分放大器，T3為受v4控制的電流源。 根據(jù)晶體管電流和電壓的關(guān)系式，并考慮到差分對(duì)T1與T2的對(duì)稱性，可以寫出：第四節(jié)因此，T3的集電極電流為：或式中，同理可

6、得：由于：所以以上二式可寫為：為共基極電流放大系數(shù)為歸一化非線性特征因子可見，iC1和iC2都是Z的函數(shù)。第四節(jié) 可認(rèn)為，在線性放大區(qū)內(nèi)由交流信號(hào)v1所產(chǎn)生的電流為：式中， ，為放大器的跨導(dǎo)。當(dāng)Z很小，即 時(shí)，有： 考慮到電路的對(duì)稱性，Rc1=Rc2=Rc , iC1-iC2=iC1-iC2 , 差分放大器的輸出電壓為：由于i0是受交流信號(hào)v2控制的，可以寫為：I0-恒定分量; -交流分量；g為T3的跨導(dǎo)。 第四節(jié)若Rc足夠大時(shí)，則式中，K0與K為常數(shù)。由于有v1v2的乘積項(xiàng)，所以稱為模擬乘法器。 三、模擬乘法器電路例舉本部分的內(nèi)容自學(xué)四、開關(guān)函數(shù)分析法 適用于器件反向偏置的情況。 利用傅里葉

7、級(jí)數(shù)展開，有：第四節(jié)第四節(jié)V2 的偶次諧波頻率從而實(shí)現(xiàn)了變頻。電流 i 中包含的頻譜成分：其中， 或 即是我們要得到的變頻部分。例4.4.1若某非線性元件的伏安特性為 試問：能否用該元件進(jìn)行變頻、調(diào)幅和振幅檢波？為什么？分析：若能進(jìn)行調(diào)幅、檢波的話，電流 i 中必須含有其中 為高頻載波頻率， 是低頻信號(hào)頻率。電流 i 中卻不含有故能用它進(jìn)行變頻，但不能用它進(jìn)行調(diào)幅與振幅檢波。第四節(jié)第五節(jié)變頻器的電路組成如圖所示：變頻器的工作原理1、變頻器的組成 變頻：對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換，將其載頻變換到某一 固定頻率上，而保持原信號(hào)的特征不變。如調(diào)幅規(guī)律中頻1.76MHz2.1656.465MHz0.465MH

8、z2、為什么要變頻？變頻的優(yōu)點(diǎn)：變頻可提高接收機(jī)的靈敏度提高接收機(jī)的選擇性工作穩(wěn)定性好波段工作時(shí)其質(zhì)量指標(biāo)一致性好變頻的缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等第五節(jié)3. 變頻器的分類按器件分：二極管混頻器、晶體管混頻器(變頻器)、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器(變頻器) 、差分對(duì)混頻器按工作特點(diǎn)分：?jiǎn)喂芑祛l、平衡混頻、環(huán)型混頻從兩個(gè)輸入信號(hào)在時(shí)域上的處理過程分：疊加型混頻器、乘積型混頻器4、變頻器的性能指標(biāo) 工作穩(wěn)定性：本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度。噪聲系數(shù)NF選擇性：抑制中頻信號(hào)以外的干擾信號(hào)的能力。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。變頻(混頻)增益Avc第五節(jié)第五節(jié)最后一項(xiàng)能產(chǎn)生中頻電流，展

9、開得：例4.5.1有一非線性器件在工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性為：式中，設(shè)V0mVsm，求該非線性器件作為變頻器時(shí)的變頻跨導(dǎo)gc。解：方法一 直接將vbe代入上式，得：因而中頻電流為：第五節(jié)根據(jù)變頻跨導(dǎo)的定義，即得：方法二 根據(jù)轉(zhuǎn)移特性，求出時(shí)變跨導(dǎo)它的基波分量幅度為g1=2b2V0m。而第六節(jié)晶體管混頻器 在混頻過程中，跨導(dǎo)隨振蕩電壓作周期性變化，混頻管可看成線性參變?cè)?。?dāng)高頻信號(hào)通過線性參變?cè)r(shí)，便產(chǎn)生各種頻率分量，達(dá)到變頻的目的。 其中： 1、基本電路和工作原理VBB 基極偏置電壓VCC 集電極直流電壓L1C1組成輸入回路，諧振 于輸入信號(hào)頻率sL2C2 組成輸出中頻回路，諧振于中頻i=0s第六

10、節(jié)晶體管混頻器的四種基本電路： 圖(c)和(d)中，低頻時(shí)，變頻增益低，輸入阻抗也較低(一般都不采用)；高頻(幾十MHz)時(shí)，變頻增益較大(采用)。 圖(a)中，輸出阻抗較大，易起振，所需本地振蕩注入功率較小。但信號(hào)輸入電路與振蕩電路相互影響較大，可能產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象。圖(b) 產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小，振蕩波形好，失真小，但需要較大的本振注入功率。2、分析方法變跨導(dǎo)分析法 在晶體管混頻器的分析中，我們將晶體管視為一個(gè)跨導(dǎo)隨本振信號(hào)變化的線性參變?cè)?因V0Vsm, 晶體管工作在線性時(shí)變狀態(tài)，所以晶體管集電極靜態(tài)電流ic(t)和跨導(dǎo)gm(t)均隨v0 作周期性變化。加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線

11、v0vs第六節(jié) 由于vsv0，可以近似認(rèn)為其對(duì)器件的工作狀態(tài)變化沒有影響。此時(shí)流過器件的電流為： 將v0+VBB看成器件的交變工作點(diǎn)，則i(t)可在其工作點(diǎn)(v0+VBB)處展開為泰勒級(jí)數(shù)由于vs的值很小，忽略二次方及其以上各項(xiàng)，則時(shí)變靜態(tài)電流I0(t)時(shí)變跨導(dǎo)g(t)第六節(jié)則混頻后輸出的中頻電流為其振幅為第六節(jié) 由上式引出變頻跨導(dǎo)gc的概念，定義為 輸出的中頻電流振幅Ii與輸入高頻信號(hào)電壓的振幅Vsm成正比。若高頻信號(hào)電壓振幅Vsm按一定規(guī)律變化，則中頻電流振幅Ii也按相同的規(guī)律變化。 由實(shí)驗(yàn)得出：第六節(jié)3、混頻器的增益故混頻電壓增益混頻功率增益若電路匹配，使goc=GL，則可得到最大混頻功

12、率增益第六節(jié)例4.6.1 用晶體管3DG8D組成混頻電路。已知工作點(diǎn)的發(fā)射級(jí)電流IE=0.5mA，本振電壓為150mV，信號(hào)頻率fs=40MHz，中頻頻率fi=1.5MHz，中頻負(fù)載電導(dǎo)GL=1mS。在工作頻率時(shí)，輸入電導(dǎo)gic= 430S,輸出電導(dǎo)goc = 10S。試求：變頻跨導(dǎo)gc ，變頻電壓增益Avc和功率增益Apc 。(已知3DG8D的特征頻率fT150MHz，rbb15)解：第六節(jié)第七節(jié) 二極管混頻器一、二極管平衡混頻器 小信號(hào)時(shí)，混頻時(shí)輸入信號(hào)VD=Vs+V0二極管的伏安特性可用冪級(jí)數(shù)表示： 為簡(jiǎn)化分析，忽略輸出電壓對(duì)二極管的反作用，則+-+-當(dāng)vD很小時(shí)，級(jí)數(shù)可只取前四項(xiàng)，得利

13、用三角公式展開，并分類整理，可得第七節(jié) 單管輸出電流中頻率為：輸入頻率的諧波20和2s、30和3s；輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率0s、0 2s、20 s。 i1、i2以相反方向流過輸出端變壓器初級(jí)，故變壓器次級(jí)負(fù)載電流 il1 = i1i2 同理可得：平衡混頻器輸出電流的頻率成份為： s、 0 s、20 s、 30 故平衡混頻器抑制了許多組合頻率，大大減小了組合頻率的干擾。第七節(jié)例4.7.1 如圖所示電路中，二極管D1和D2特性相同，都為i=kv2,k為常數(shù)。試求輸出電壓vo的表示式(v1和v2均已知)。解：設(shè)流過兩個(gè)二極管的電流分別為i1，i2，則：第七節(jié)二、二極管環(huán)形混頻器（雙平衡

14、混頻器)+_第七節(jié)第七節(jié)環(huán)型混頻器輸出電流的頻率成份為：n0 ms故在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)型混頻器比平衡混頻器更優(yōu)越。(n和m均為奇數(shù))由平衡混頻器得：第七節(jié)三極管混頻器優(yōu)點(diǎn)：有變頻增益缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍較小 組合頻率干擾嚴(yán)重 噪聲較大 存在本地輻射二極管混頻器優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍較大 組合頻率干擾少 噪聲較小 不存在本地輻射缺點(diǎn)：無變頻增益第七節(jié) MCI596構(gòu)成的集成混頻電路第八節(jié)差分對(duì)模擬相乘器混頻電路第九節(jié)混頻器中的干擾一、組合頻率干擾和副波道干擾 1、組合頻率干擾：有用信號(hào)和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾?；祛l器的輸出信號(hào)中所包含的各種頻率分量為：p ,q為任意正整數(shù)，分別代表本振頻率和信號(hào)頻率的諧波次數(shù)。

15、只有p=q=1對(duì)應(yīng)的頻率為f0-fs 的分量是所需要的中頻信號(hào)。 如果某些組合頻率落在諧振回路的通頻帶內(nèi)，這些組合頻率分量就和有用的中頻分量一樣，通過中放進(jìn)入檢波器，并在檢波電路中與有用信號(hào)產(chǎn)生差拍，這時(shí)在接收機(jī)的輸出端將產(chǎn)生哨叫聲，形成有害的干擾。這種干擾又稱為哨聲干擾。即當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾哨叫。組合副波道干擾 如果混頻器之前的輸入回路和高頻放大器的選擇性不夠好，除了要接收的有用信號(hào)外，干擾信號(hào)也會(huì)進(jìn)入混頻器。當(dāng)干擾頻率fn與本振頻率f0滿足：會(huì)產(chǎn)生組合副波道干擾。第九節(jié)2、副波道干擾 在組合副波道干擾中，某些特定頻率形成的干擾稱為副波道干擾。這種干擾主要有中頻干擾( fnfi )和鏡像干擾(

16、fn fs+2fi )。 中頻干擾干擾信號(hào)的頻率等于或接近fi 時(shí)的干擾。 鏡像頻率干擾外來干擾信號(hào)的頻率時(shí)的干擾。形成鏡像對(duì)稱關(guān)系第九節(jié)二、交叉調(diào)制(交調(diào)) 產(chǎn)生的原因：由混頻器3次方以上的非線性傳輸特性產(chǎn)生的?，F(xiàn)象：當(dāng)所接收電臺(tái)的信號(hào)和干擾電臺(tái)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入 接收機(jī)輸入端時(shí)，如果接收機(jī)調(diào)諧于信號(hào)頻率， 可以清楚地收到干擾電臺(tái)的聲音；若接收機(jī)對(duì) 接收信號(hào)頻率失諧，干擾臺(tái)的聲音也消失。第九節(jié)三、互相調(diào)制(互調(diào)) 當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的干擾進(jìn)入到混頻器的輸入端時(shí)，它們與本振電壓v0一起加到混頻管的發(fā)射結(jié)。由于器件的非線性作用，它們將產(chǎn)生一系列組合頻率分量。如果某些分量的頻率等于或接近于中頻時(shí)，就會(huì)形成

17、干擾，稱為互調(diào)干擾。現(xiàn)象：接收機(jī)調(diào)諧于信號(hào)頻率，可以清楚地收到干擾 信號(hào)電臺(tái)的聲音；若接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)頻率失 諧，干擾臺(tái)的聲音仍然存在。產(chǎn)生的原因：由非線性器件二次方以上的特性引起的。 存在二階互調(diào)和三階互調(diào)及高階互調(diào)。第九節(jié)四、阻塞現(xiàn)象和相互混頻 當(dāng)一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)輸入端后，由于輸入電路抑制不良，會(huì)使前端電路內(nèi)放大器或混頻器的晶體管處于嚴(yán)重的非線性區(qū)域，使輸出信噪比大大下降。這種現(xiàn)象稱為阻塞現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因：強(qiáng)干擾作用下晶體管特性曲線非線性所引起的阻塞；強(qiáng)干擾破壞了晶體管的工作狀態(tài)，管子產(chǎn)生假擊穿。第九節(jié)綜上所述，減小各種干擾的措施可歸納為： 提高混頻器前端電路(天線回路和高放)的選擇性。 合理地選擇中頻，能有效地減小組合頻率干擾。 合理地選擇混頻管的靜態(tài)工作點(diǎn)。 采用各種平衡電路。 采用倍頻器帶通濾波器抑制二階互調(diào)。相互混頻：由于本振源內(nèi)存在雜散邊帶功率，強(qiáng)干擾與雜散邊帶噪聲混頻產(chǎn)生的頻率分量落在中頻通帶內(nèi)形成中頻噪聲。第九節(jié)例4.9.1如果混頻管的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系式為：?jiǎn)枙?huì)不會(huì)受到中頻干擾和鏡像干擾？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生干擾電臺(tái)所引起的交調(diào)、互調(diào)和阻塞？為什么？解：由于式中有平方項(xiàng)，它所產(chǎn)生的二次諧波項(xiàng)有可能滿