大三上-通信電路原理課件

1笫4章非線(xiàn)性電路及其分析方法4.1非線(xiàn)性電路的基本概念與非線(xiàn)性元件4.2非線(xiàn)性電路的分析方法4.3非線(xiàn)性電路的應(yīng)用舉例

24.3非線(xiàn)性電路的應(yīng)用舉例

4.3.1C類(lèi)諧振功率放大器

4.3.2D類(lèi)和E類(lèi)功率放大器4.3.3倍頻器

4.3.4模擬相乘器

4.3.5時(shí)變參量電路與變頻器34.3.4

模擬相乘器模擬相乘器：完成兩個(gè)模擬信號(hào)瞬時(shí)值相乘的電路?？傻孟喑似鞯睦硐胼敵鲭妷簽椋狠敵鲂盘?hào)中出現(xiàn)了兩個(gè)新的頻率分量，這就是非線(xiàn)性電路輸出輸入關(guān)系的特征。調(diào)幅、檢波、混頻等非線(xiàn)性電路中就是應(yīng)用了這種非線(xiàn)性的頻率變換關(guān)系，所以模擬相乘器電路在通信電路系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?！寥粝喑似鬏斎攵穗妷悍謩e是：4模擬相乘器（續(xù)1）差分對(duì)電流關(guān)系：模擬相乘器電路有用BJT構(gòu)成的，也有CMOS四象限模擬相乘器，此外，還有四個(gè)二極管構(gòu)成的環(huán)形相乘器，均能滿(mǎn)足輸入兩信號(hào)相乘的功能。下面討論雙差分電路構(gòu)成的模擬相乘器。56相乘器的輸出電壓為：模擬相乘器（續(xù)3）如果，，根據(jù)雙曲正切函數(shù)的性質(zhì)，可近似表示為：在與的幅度較小時(shí)，相乘器具有近似理想相乘的特性，并可在四個(gè)象限工作。電路圖7為了擴(kuò)大的線(xiàn)性范圍，可用反雙曲正切變換電路。為了擴(kuò)大的線(xiàn)性范圍，可用電阻負(fù)反饋電路。(增加)模擬相乘器（續(xù)4）存在的問(wèn)題：1、只有在輸入電壓的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時(shí)，才可認(rèn)為相乘器具有理想相乘特性，否則將會(huì)引入非線(xiàn)性誤差；2、電路的增益系數(shù)與溫度有關(guān)，故電路的溫度穩(wěn)定性較差。思路：通過(guò)一定的變換電路，使輸出電壓直接與、成正比，而不是與它們的雙曲正切函數(shù)成正比。81、參變電路與常用參變電路類(lèi)型2、時(shí)變參量線(xiàn)性電路3、變頻電路4、變頻干擾小結(jié)4.3.5時(shí)變參量電路與變頻器91、參變電路與常用參變電路類(lèi)型若電路中僅有一個(gè)參量受外加信號(hào)的控制而按一定規(guī)律變化時(shí)，稱(chēng)這種電路為參變電路，外加信號(hào)為控制信號(hào)。當(dāng)外加控制信號(hào)是一個(gè)正弦信號(hào)時(shí)，時(shí)變參量跨導(dǎo)雖然不是一個(gè)正弦信號(hào)，但卻是一個(gè)周期信號(hào)。因此可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)研究。101、參變電路與常用參變電路類(lèi)型（續(xù)1）分類(lèi)（由引起參量變化的原因分類(lèi)）：一類(lèi)是人們有意識(shí)地構(gòu)成的參變電路，例如，后面將要討論的變頻電路、調(diào)幅電路、直接調(diào)頻振蕩器電路等。一類(lèi)是不受人們控制的參變電路。例如：作為移動(dòng)通信信道的自由空間，它的延時(shí)、衰減等參量不能控制。常用參變電路類(lèi)型：(由變化參量分類(lèi))（1）電阻性參變電路電阻性參變電路的參量選擇為I-V曲線(xiàn)的微分斜率，常用跨導(dǎo)gm

表示。例如：變頻電路。（2）電容性參變電路電容性參變電路的參量選擇為微分電容，即Q-V曲線(xiàn)的微分斜率。例如，變?nèi)荻O管的微分電容隨加于變?nèi)莨軆啥穗妷旱淖兓€(xiàn)，用于直接調(diào)頻振蕩器電路。11對(duì)控制信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以看成是一個(gè)參量變化的電路。2、時(shí)變參量線(xiàn)性電路時(shí)變參量線(xiàn)性電路的正常工作狀態(tài)具有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是控制信號(hào)，通常為強(qiáng)信號(hào)；一個(gè)是被處理信號(hào)，通常是弱信號(hào)

。對(duì)被處理信號(hào)來(lái)說(shuō)，在控制信號(hào)為某一瞬時(shí)值時(shí)，電路所呈現(xiàn)的微分斜率可以認(rèn)為是常數(shù)，在這種情況下，參變電路對(duì)于可以看成是一個(gè)參量變化的線(xiàn)性電路。模擬乘法器電路也可看作是時(shí)變參量電路的一種。則可視為的時(shí)變電壓放大倍數(shù)。122、時(shí)變參量線(xiàn)性電路（續(xù)1）如果一個(gè)弱信號(hào)加在一個(gè)強(qiáng)的控制信號(hào)之上，對(duì)于弱信號(hào)而言，在控制信號(hào)的某一個(gè)瞬時(shí)值，電路所呈現(xiàn)的微分斜率可以認(rèn)為是常數(shù)，此時(shí)，參變電路對(duì)于弱信號(hào)而言，可以看成是一個(gè)參量變化的線(xiàn)性電路。因?yàn)榭刂菩盘?hào)是時(shí)變信號(hào)，所以稱(chēng)之為時(shí)變參量線(xiàn)性電路。3、變頻電路（1）變頻電路的工作原理作用:

實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的線(xiàn)性變換，即完成頻譜在頻率軸上的搬移。在變頻電路中，控制信號(hào)通常為一單頻正弦信號(hào)，在接收機(jī)中，習(xí)慣上將此控制信號(hào)稱(chēng)為本振信號(hào)。分類(lèi)：一類(lèi)是電路自身產(chǎn)生控制信號(hào)，通常稱(chēng)為變頻器；一類(lèi)需由外部輸入控制信號(hào)，通常稱(chēng)為混頻器。上下變頻器：輸出和頻的變頻器稱(chēng)為上變頻器，輸出差頻的變頻器稱(chēng)為下變頻器。變頻電路本振信號(hào)輸入信號(hào)P238_理想變頻過(guò)程頻譜圖頻譜變換過(guò)程：14（2）變頻電路的主要技術(shù)指標(biāo)變頻增益：噪聲系數(shù)：常用分貝表示，即：變頻器的輸出中頻信號(hào)功率和輸入高頻信號(hào)功率之比。輸入端高頻信噪比和輸出端中頻信噪比之比。15（2）變頻電路的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)1）變頻失真：變頻電路的輸出信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)不相同時(shí)，則表示產(chǎn)生了變頻失真。（變頻失真后面分析）工作穩(wěn)定性：控制信號(hào)（本振信號(hào)）的頻率穩(wěn)定度。思考題：增益、噪聲系數(shù)和工作穩(wěn)定性在變頻器和放大器中有何不同？16(2)變頻電路的主要技術(shù)指標(biāo)(續(xù)2)端口間隔離度：混頻器各端口間的隔離不理想會(huì)產(chǎn)生如下影響。三個(gè)端口間的阻抗匹配：射頻和中頻端口匹配可以保證與該端口相連接的濾波器正常工作；本振端口的阻抗匹配可以保證混頻器有效地汲取本振功率。射頻口和中頻口之間隔離不好，可能會(huì)將LNA非線(xiàn)性產(chǎn)生的中頻干擾信號(hào)不經(jīng)混頻，直接竄通到混頻器的中頻口。射頻口向本振口的信號(hào)竄通可能會(huì)影響本振的工作，如產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象。本振口向射頻口（輸入）的泄漏會(huì)使本振大信號(hào)影響LNA的工作，甚至通過(guò)天線(xiàn)輻射出去。本振口向中頻口（輸出）的信號(hào)竄通，本振大信號(hào)會(huì)使后級(jí)的中頻放大器過(guò)載。17（3）常用變頻電路舉例疊加型混頻器：非線(xiàn)性器件特性為冪級(jí)數(shù)，其二次方項(xiàng)產(chǎn)生輸入信號(hào)和控制信號(hào)的相乘項(xiàng)。但是，非線(xiàn)性器件特性還有其它方次項(xiàng)。乘積型混頻器用模擬相乘器實(shí)現(xiàn)混頻輸出端無(wú)用頻率分量少。三極管混頻器，有一定的變頻增益；場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，其交調(diào)、互調(diào)干擾少；二極管混頻器，動(dòng)態(tài)范圍大，適用頻率高。18三極管混頻器利用三極管轉(zhuǎn)移特性的非線(xiàn)性實(shí)現(xiàn)頻率變換輸入信號(hào)和本振信號(hào)都加在基極和發(fā)射極之間，從而利用了三極管轉(zhuǎn)移特性的非線(xiàn)性來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率變化。19三極管混頻器（續(xù)1）外加控制信號(hào)是一個(gè)正弦信號(hào)。時(shí)變參量跨導(dǎo)雖然不是一個(gè)正弦信號(hào)，但卻是一個(gè)周期信號(hào)?？梢杂酶盗⑷~級(jí)數(shù)展開(kāi)研究。20三極管混頻器（續(xù)2）一般情況下，雖然本振電壓為正弦電壓，但受其控制的混頻器跨導(dǎo)g(t)并不是正弦形信號(hào)，而是一個(gè)周期性信號(hào)?；祛l器跨導(dǎo)g的周期為本振信號(hào)的周期。則可展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)，即變頻器的輸出信號(hào)（中頻信號(hào)）將表示為：21三極管混頻器（續(xù)3）在變頻器輸出信號(hào)中含有頻率成分：輸入信號(hào)頻率成分需要的中頻頻率

輸入信號(hào)頻率

與本振信號(hào)頻率的各次諧波之間的組合頻率。這些組合頻率可能對(duì)變頻器輸出信號(hào)形成干擾。理想變頻電路性能：變頻器傳輸函數(shù)中只有項(xiàng)，不含其它各項(xiàng)。為了得到這個(gè)結(jié)果，要求曲線(xiàn)為直線(xiàn)。也即曲線(xiàn)為一平方曲線(xiàn)。工作在飽和區(qū)的MOSFET基本上具有這樣的特性，所以在混頻電路中采用MOSFET是有利的。22二極管混頻器單端混頻器，它由1只混頻二極管構(gòu)成。利用混頻二極管特性的非線(xiàn)性實(shí)現(xiàn)頻率變換。平衡混頻器用兩只混頻二極管組成平衡電路。兩只混頻管的特性應(yīng)該一致。雙平衡混頻器又稱(chēng)為橋式混頻器，它由4只相同特性的混頻二極管構(gòu)成環(huán)路。雙-雙平衡混頻器又稱(chēng)為鏡像抑制混頻器，它由8只相同特性的混頻二極管構(gòu)成環(huán)路。23二極管混頻器（單平衡混頻器）返回24二極管混頻器（續(xù)1）若兩個(gè)二極管特性相同并用N階冪級(jí)數(shù)表示，則它們的電流可分別表示為：輸入信號(hào)電壓：本振電壓：則二極管兩端的電壓分別為：電路分析：上圖25習(xí)題4-30：假定輸出電壓只有角頻率為的中頻分量。若二極管和特性相同，且均可表示為：

試求通過(guò)二極管的電流和中，含有哪些頻率分量？如果兩個(gè)二極管特性相同，變壓器中心抽頭準(zhǔn)確，則i(t)中沒(méi)有信號(hào)的偶次諧波及偶次諧波的組合頻率分量。負(fù)載處接入選頻電路，即可選出所需頻率的信號(hào)。26沒(méi)有本振信號(hào)頻率的基波和各次諧波。沒(méi)有輸入信號(hào)頻率的偶次諧波分量，也沒(méi)有含輸入信號(hào)頻率偶次諧波成分的組合頻率分量。二極管混頻器（續(xù)2）含有輸入信號(hào)頻率的基波，奇次諧波和這些信號(hào)與本振頻率各次諧波之間的組合頻率分量。若在負(fù)載處接入選頻電路，僅使頻率為的信號(hào)通過(guò)，即可完成下變頻的作用。27二極管混頻器（續(xù)3）四個(gè)二極管混頻器（雙平衡混頻器）可以抑制和端口的偶次諧波分量，因此其變頻損耗更低。

八個(gè)二極管混頻器（雙-雙平衡混頻器）雙-雙平衡混頻器作為鏡像抑制混頻器使用的一個(gè)重要應(yīng)用。

采用平衡結(jié)構(gòu)的目的是為了抵消混頻過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)用的組合頻率分量，要求二極管性能一致且變壓器保證對(duì)稱(chēng)性。二極管混頻器的混頻增益小于一。28理想的變頻過(guò)程只是將輸入信號(hào)的頻譜在頻率軸上平移，信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生變化。但由于實(shí)際電路的非理想工作狀態(tài)，往往在變頻輸出信號(hào)中出現(xiàn)干擾信號(hào)，稱(chēng)其為變頻干擾。下面以接收機(jī)變頻電路為例，說(shuō)明變頻干擾產(chǎn)生的原因及其表現(xiàn)。P238_理想變頻過(guò)程頻譜圖4、變頻干擾294、變頻干擾（續(xù)1）在變頻器輸出信號(hào)中（時(shí)變跨導(dǎo)線(xiàn)性電路）含有輸入信號(hào)若變頻器輸入信號(hào)較大，則對(duì)于而言不可以看成是一個(gè)參量變化的線(xiàn)性電路。的各次諧波與本振信號(hào)的各次諧波之間的組合頻率。這些組合頻率可對(duì)變頻器輸出信號(hào)形成干擾。變頻器的非線(xiàn)性。變頻干擾產(chǎn)生主要原因：高頻放大器的非線(xiàn)性；本振信號(hào)的各次諧波；高頻放大器頻率特性不理想；（1）中頻干擾減小中頻干擾的主要方法是：減小三極管變頻特性中的項(xiàng)。這就需要適當(dāng)選擇變頻三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)和本振電壓的幅度，使變頻跨導(dǎo)與本振電壓近似為線(xiàn)性關(guān)系。提高變頻器前面各級(jí)電路的選擇性，抑制中頻信號(hào)通過(guò)。有時(shí)在高頻放大器輸入回路中接入中頻陷波器或高通濾波器，以抑制中頻干擾。產(chǎn)生的原因：高頻放大器的頻率特性不理想。不能將頻率等于中頻頻率的干擾信號(hào)濾除，而使其到達(dá)變頻器的輸入端。變頻器的變頻特性中的

項(xiàng)使變頻器相當(dāng)于放大器。從而使中頻干擾信號(hào)經(jīng)變頻器而到達(dá)中頻放大器輸入端，經(jīng)中頻放大器放大后輸出，形成中頻干擾。例：466KHz和465KHz信號(hào)在檢波器差拍檢波后，產(chǎn)生哨叫聲。31（2）像頻干擾產(chǎn)生的原因：當(dāng)正常輸入信號(hào)頻率和干擾信號(hào)頻率分列于本振信號(hào)頻率兩側(cè)，并距的距離相等時(shí)（均為中頻頻率），兩者互為鏡像，這種干擾為像頻干擾。干擾信號(hào)能經(jīng)過(guò)高頻放大器而到達(dá)變頻器的輸入端。減小像頻干擾的主要方法是：提高變頻器前面各級(jí)的選擇性。當(dāng)變頻器前加有高頻放大器時(shí)，其優(yōu)良的頻率選擇性可提高對(duì)像頻干擾信號(hào)的抑制作用?；蛟诟哳l放大器前增加鏡像抑制濾波器。提高中頻頻率。由于有用信號(hào)與干擾信號(hào)頻率之間的距離是，因此，提高中頻頻率可以使這兩個(gè)信號(hào)的頻率差加大，這也有利于對(duì)像頻干擾信號(hào)的抑制。32（3）組合副波道干擾產(chǎn)生的原因：高頻放大器具有非線(xiàn)性特性。當(dāng)頻率為的干擾信號(hào)通過(guò)高頻放大器時(shí)，將產(chǎn)生的各次諧波。凡滿(mǎn)足下列關(guān)系式所確定頻率的干擾信號(hào)，均可與本振信號(hào)的某次諧波分量相作用，產(chǎn)生中頻頻率信號(hào)而形成干擾。減小組合副波道干擾的主要方法是：提高高頻放大器的頻率選擇性，減小高頻放大器非線(xiàn)性。減少變頻器傳輸特性中的諧波分量。這種干擾稱(chēng)為組合副波道干擾。顯然，像頻干擾和中頻干擾是它的特例。像頻干擾對(duì)應(yīng)于，的情況；中頻干擾對(duì)應(yīng)于，的情況。33（4）組合頻率干擾產(chǎn)生的原因：變頻器的非線(xiàn)性。不能將變頻器看作為時(shí)變參量線(xiàn)性電路，對(duì)是非線(xiàn)性。變頻器輸出信號(hào)中將包含輸入信號(hào)的各次諧波分量、本振信號(hào)的各次諧波分量以及二者各次諧波分量之間的組合頻率。減小組合頻率干擾的主要方法是：合理選擇變頻器工作狀態(tài)，減小傳輸特性的諧波分量。限制輸入信號(hào)的幅度。選擇中頻頻率，避開(kāi)變頻過(guò)程可能產(chǎn)生的組合頻率。凡是滿(mǎn)足右式的和所確定的組合頻率，恰為中頻頻率。這些組合頻率分量將通過(guò)中頻放大器而形成干擾。34（4）組合頻率干擾（續(xù)）在分析組合副波道干擾時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，認(rèn)為變頻電路是線(xiàn)性的。（輸入信號(hào)的幅度較?。┊a(chǎn)生組合副波道干擾的干擾信號(hào)的各次諧波是由高頻放大器的非線(xiàn)性產(chǎn)生的，它們與本振信號(hào)的某次諧波分量相作用，得到中頻頻率信號(hào)而形成干擾。（，，，）。組合頻率干擾是由于變頻電路本身的非線(xiàn)性產(chǎn)生的。變頻器輸出信號(hào)中將包含輸入信號(hào)的各次諧波分量，本振信號(hào)的各次諧波分量以及二者各次諧波分量之間的組合頻率。這里需要說(shuō)明：35（5）交叉調(diào)制干擾交叉調(diào)制干擾的現(xiàn)象是：如果接收機(jī)對(duì)欲接收信號(hào)頻率調(diào)諧，則可清楚地收到干擾信號(hào)電臺(tái)的聲音。接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)頻率失諧，則干擾電臺(tái)的聲音減弱。如果欲接收電臺(tái)的信號(hào)消失，則干擾電臺(tái)的聲音也消失。這種現(xiàn)象就好象是干擾電臺(tái)的聲音調(diào)制在欲接收電臺(tái)信號(hào)的載波上，故稱(chēng)其為交叉調(diào)制干擾。產(chǎn)生的原因：交叉調(diào)制干擾是由于變頻電路和高頻放大器的非線(xiàn)性輸出輸入特性產(chǎn)生的。36（5）交叉調(diào)制干擾（續(xù)1）數(shù)學(xué)分析：從晶體管正向轉(zhuǎn)移特性關(guān)系入手，將展開(kāi)成的泰勒冪級(jí)數(shù)，得：設(shè)作用在輸入端（基極─發(fā)射極間）的電壓有：信號(hào)電壓：干擾電壓：則合成電壓：37（5）交叉調(diào)制干擾（續(xù)2）將代入式，得：把信號(hào)基波電流取出，得：注意原信號(hào)電壓是：但接收的是上式所示的信號(hào)基波電流。38（5）交叉調(diào)制干擾（續(xù)3）討論：括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)代表放大器或混頻器的輸出信號(hào)的包絡(luò)變化，其中第二項(xiàng)為有用信號(hào)的調(diào)制，第三項(xiàng)為干擾信號(hào)所轉(zhuǎn)移的調(diào)制?？梢?jiàn)交叉調(diào)制是由晶體管特性中的三次或更高次非線(xiàn)性項(xiàng)產(chǎn)生的，它與成正比。減小交叉調(diào)制干擾的主要方法是：提高高頻放大器和變頻器輸入電路的選擇性，盡可能使干擾信號(hào)不進(jìn)入變頻電路或高頻放大器。

限制高頻放大器輸入信號(hào)幅度，以使高頻放大器和變頻器基本工作于線(xiàn)性狀態(tài)。（交叉調(diào)制是由晶體管特性中的三次或更高次非線(xiàn)性項(xiàng)產(chǎn)生的）。（6）互相調(diào)制（互調(diào)干擾）產(chǎn)生的原因：接收機(jī)前端電路的選擇性不夠好。致使兩個(gè)或更多個(gè)干擾信號(hào)一起加到接收機(jī)的輸入端。由于放大器的非線(xiàn)性作用。使干擾信號(hào)彼此混頻，可能產(chǎn)生頻率接近有用信號(hào)頻率的互調(diào)干擾分量。與有用信號(hào)一道進(jìn)入接收機(jī)中頻系統(tǒng)。在檢波器差拍檢波后，產(chǎn)生哨叫聲。根據(jù)上面討論可以得出以下結(jié)論：①互調(diào)干擾是由放大器或混頻器特性的二次、三次和更高次非線(xiàn)性（即二階、三階失真項(xiàng)）產(chǎn)生的。②互調(diào)干擾分量的強(qiáng)度同輸入干擾信號(hào)振幅有關(guān)，干擾信號(hào)振幅愈大，則互調(diào)干擾分量愈大。③產(chǎn)生互調(diào)干擾的兩個(gè)干擾信號(hào)頻率之間必須滿(mǎn)足一定的關(guān)系，所以它不同于交調(diào)。40變頻干擾及其產(chǎn)生原因小結(jié)：產(chǎn)生原因干擾名稱(chēng)高頻放大器變頻器非線(xiàn)性頻率特性本振諧波非線(xiàn)性中頻干擾像頻干擾組合副波道干擾組合頻率干擾交叉調(diào)制干擾互調(diào)干擾41正常信號(hào)差頻465KHz與信