chapter非線性電路實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1chapter非線性電路實(shí)用5.3-1概述2.為什么要變頻？?jī)?yōu)點(diǎn)：1)變頻可提高接收機(jī)的靈敏度2)提高接收機(jī)的選擇性3)工作穩(wěn)定性好4)波段工作時(shí)其質(zhì)量指標(biāo)一致性好缺點(diǎn)：產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等干擾第1頁(yè)/共34頁(yè)3.變頻器的分類：按器件分：二極管混頻器、三極管混頻器、三極管變頻器、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管變頻器模擬乘法器混頻器按工作特點(diǎn)分：?jiǎn)喂芑祛l平衡混頻、環(huán)型混頻5.3-1概述從兩個(gè)輸入信號(hào)在時(shí)域上的處理過程看：疊加型混頻器、乘積型混頻器第2頁(yè)/共34頁(yè)4.混頻器的性能指標(biāo)：1)變頻(混頻)增益：混頻器輸出中頻電壓Vim與輸入信號(hào)電壓Vsm的幅值之比。2)噪聲系數(shù)：高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。3)選擇性：抑制中頻信號(hào)以外的干擾的能力。4)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。上述的幾個(gè)質(zhì)量指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，應(yīng)該正確選擇管子的工作點(diǎn)、合理選擇本振電路和中頻頻率的高低，使得幾個(gè)質(zhì)量指標(biāo)相互兼顧，整機(jī)取得良好的效果。5.3-1概述第3頁(yè)/共34頁(yè)疊加型混頻器實(shí)現(xiàn)模型

圖示中的非線性器件具有如下特性：對(duì)其2次方進(jìn)行分析：在二次方項(xiàng)中出現(xiàn)了和的相乘項(xiàng)，因而可以得到(0+s)和(0-s)。若用帶通濾波器取出所需的中頻成分(和頻或差頻)，可達(dá)到混頻的目的。

所用非線性器件的不同，疊加型混頻器有下列幾種：1.晶體三極管混頻器它有一定的混頻增益2.場(chǎng)效應(yīng)管混頻器它交調(diào)、互調(diào)干擾少3.二極管平衡混頻器和環(huán)形混頻器它們具有動(dòng)態(tài)范圍大、組合頻率干擾少的優(yōu)點(diǎn)5.3-1概述第4頁(yè)/共34頁(yè)乘積型混頻器實(shí)現(xiàn)模型乘積型混頻器由模擬乘法器和帶通濾波器組成其實(shí)現(xiàn)模型如圖所示設(shè)輸入信號(hào)為普通調(diào)幅波

采用中心頻率不同的帶通濾波器(0–s)t或(0+s)t則可完成低中頻混頻或高中頻混頻。5.3-1概述第5頁(yè)/共34頁(yè)fi+–+–vsvo(a)fi+–+–vsvo(b)如圖所示為晶體三極管混頻器的原理電路圖(a)電路對(duì)振蕩電壓來說是共發(fā)電路，輸出阻抗較大，混頻時(shí)所需本地振蕩注入功率較小。但因?yàn)樾盘?hào)輸入電路與振蕩電路相互影響較大(直接耦合)，可能產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象。圖(b)電路的輸入信號(hào)與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入，產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。對(duì)于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵(lì)，因此振蕩波形好，失真小。但需要較大的本振注入功率。5.3-2晶體三極管混頻器第6頁(yè)/共34頁(yè)fi+–+–vsvo(c)fi+–+–vsvo(d)圖(c)和(d)兩種電路都是共基混頻電路。在較低的頻率工作時(shí)，變頻增益低，輸入阻抗也較低，因此在頻率較低時(shí)一般都不采用。但在較高的頻率工作時(shí)(幾十MHz)，因?yàn)楣不娐返慕刂诡l率f比共發(fā)電路的f要大很多，所以變頻增益較大。因此，在較高頻率工作時(shí)采用這種電路。5.3-2晶體三極管混頻器第7頁(yè)/共34頁(yè)晶體管混頻器的分析

1.基本電路和工作原理

上圖為晶體三極管混頻器的原理電路。圖中，VBB為基極偏置電壓，VCC為集電極直流電壓，L1C1組成輸入回路，它諧振于輸入信號(hào)頻率s。L2C2組成輸出中頻回路，它諧振于中頻i=o–s。設(shè)輸入信號(hào)，本振電壓

實(shí)際上，發(fā)射結(jié)上作用有三個(gè)電壓第8頁(yè)/共34頁(yè)晶體管混頻器的分析方法：1.冪級(jí)數(shù)分析法：2.變跨導(dǎo)分析法：在混頻時(shí)，混頻管可看著一個(gè)參數(shù)(跨導(dǎo))在改變的線性元件，即變跨導(dǎo)線件元件。在小信號(hào)運(yùn)用的條件下，也可以將某些非線性元器件函數(shù)表達(dá)式用冪級(jí)數(shù)函數(shù)近似，使問題簡(jiǎn)化。用這種方法來分析非線性電路可突出說明頻率變換作用，不便于作定量分析。i=a0+a1v+a2v2+a3v3+……

第9頁(yè)/共34頁(yè)

由于信號(hào)電壓Vsm很小，無論它工作在特性曲線的哪個(gè)區(qū)域，都可以認(rèn)為特性曲線是線性的(如圖上ab、ab和ab三段的斜率是不同的)。因此，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)?。晶體管混頻器的分析方法：變跨分導(dǎo)析法：加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線因Vo>>Vsm使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)均隨作周期性變化。第10頁(yè)/共34頁(yè)

由于信號(hào)vs遠(yuǎn)小于v0，可以近似認(rèn)為對(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

i(t)

=

f(v)=

f(v0+vs+vBB)

可將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，可以忽略二次方及其以上各項(xiàng)，則i(t)近似為

其中f(v0+vBB)是vs=0時(shí)僅隨v)變化的電流，稱為時(shí)變靜態(tài)電流，f(v0+vBB)隨v0+vBB而變化，稱為時(shí)變電導(dǎo)g(t)，電流可以寫為

i(t)Io(t)+g(t)

vs(t) 將vBB+v0=VBB+V0mcos0t，vs=Vsmcosst代入式展開并整理，得

晶體管混頻器的分析方法：第11頁(yè)/共34頁(yè)若中頻頻率取差頻，則混頻后輸出的中頻電流為

其振幅為

由上式引出變頻跨導(dǎo)gc的概念，它的定義為

輸出的中頻電流振幅Ii與輸入高頻信號(hào)電壓的振幅Vs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。

晶體管混頻器的分析方法：第12頁(yè)/共34頁(yè)

2.晶體管混頻器的主要參數(shù)

混頻器除混頻跨導(dǎo)外，還有輸入導(dǎo)納、輸出導(dǎo)納、混頻增益等參數(shù)。前述已知在晶體管混頻器的分析中，把晶體管看成一個(gè)線性參變?cè)?，因此可采用分析小信?hào)線性放大器時(shí)所用的等效電路來分析混頻器的參數(shù)。

(1)混頻輸入導(dǎo)納混頻輸入導(dǎo)納為輸入信號(hào)電流與輸入信號(hào)電壓之比，在計(jì)算混頻器的輸入導(dǎo)納時(shí)，可將圖所示的等效電路作進(jìn)一步的簡(jiǎn)化?；祛l器的輸入回路調(diào)諧于s，輸出回路調(diào)諧于1。對(duì)頻率s而言，輸出可視為短路，同時(shí)考慮到Cbe>>Cbc，由此得到輸入等效電路如圖所示，并可算出混頻輸入導(dǎo)納為

輸入導(dǎo)納的電導(dǎo)部分為而電納部分(電容)一般總是折算到輸入端調(diào)諧回路的電容中去。

晶體管混頻器的主要參數(shù)第13頁(yè)/共34頁(yè)(2)混頻輸出導(dǎo)納

混頻輸出導(dǎo)納為輸出中頻電流與輸出電壓之比，輸出導(dǎo)納是對(duì)中頻i而言在輸出端呈現(xiàn)的導(dǎo)納。因此，調(diào)諧于s的輸入回路可視為短路，得到輸出等效電路如圖所示，并可算出混頻輸出導(dǎo)納為

輸出等效電路輸出導(dǎo)納中的電導(dǎo)為

晶體管混頻器的主要參數(shù)第14頁(yè)/共34頁(yè)(3)混頻跨導(dǎo)gc

在混頻中，由于輸入是高頻信號(hào)，而輸出是中頻信號(hào)，二者頻率相差較遠(yuǎn)，所以輸出中頻信號(hào)通常不會(huì)在輸入端造成反饋，電容Cbc的作用可忽略。另外，gce一般遠(yuǎn)小于負(fù)載電導(dǎo)GL，其作用也可以忽略。由此可得到晶體管混頻器的轉(zhuǎn)移等效電路如圖所示g1是在本振電壓加入后，混頻管跨導(dǎo)變量中基波分量

晶體管混頻器的轉(zhuǎn)移等效電路由于g(t)是一個(gè)很復(fù)雜的函數(shù)，因此要從上式來求g1是比較困難的。從工程實(shí)際出發(fā)，采用圖解法，并作適當(dāng)?shù)慕?，混頻跨導(dǎo)可計(jì)為：

晶體管混頻器的主要參數(shù)第15頁(yè)/共34頁(yè)(4)混頻器的增益將混頻輸入電納和輸出電納歸并在輸入、輸出端的調(diào)諧回路的電容中去，則得到晶體三極管的等效電路如圖所示，圖中負(fù)載電導(dǎo)gL是輸出回路的諧振電導(dǎo)。

由圖可以算出所以混頻電壓增益

混頻功率增益晶體三極管混頻器等效電路如果電路匹配，使goc=gL，則可得到最大混頻功率增益

晶體管混頻器的主要參數(shù)第16頁(yè)/共34頁(yè)3.晶體三極管混頻器的實(shí)際電路

(1)混頻電路下圖是電視機(jī)中的混頻器電路。由高頻放大器輸入的信號(hào)，經(jīng)雙調(diào)諧電路耦合加到混頻管的基極，本振電壓通過耦合電容C1也加到基極上。本振信號(hào)的頻率要比信號(hào)的圖像載頻高38MHz，為了減小兩個(gè)信號(hào)之間的相互影響，耦合電容C1的值取得很小。

電視機(jī)的混頻電路

為使輸出電路在保證帶寬下具有良好的選擇性，常采用雙調(diào)諧耦合回路，并在初級(jí)回路中并聯(lián)電阻R，用以降低回路Q值，滿足通帶的要求。次級(jí)回路用C2，C3分壓，目的是與75電纜特性阻抗相匹配。晶體三極管混頻器的實(shí)際電路第17頁(yè)/共34頁(yè)

下圖為晶體管混頻器實(shí)用電路的交流通路。應(yīng)用在日立CTP-236D型彩色電視機(jī)ET-533型VHF高頻頭內(nèi)。圖中的V1管用作混頻器，輸入信號(hào)(即來自高放的高頻電視信號(hào)，頻率為fs)由電容C1耦合到基極；本振信號(hào)由電容C2也耦合到基極，構(gòu)成共射混頻方式，其特點(diǎn)是所需要的信號(hào)功率小，功率增益較大。混頻器的負(fù)載是共基式中頻放大器(V2構(gòu)成)的輸入阻抗。

晶體管混頻器實(shí)用電路晶體三極管混頻器的實(shí)際電路第18頁(yè)/共34頁(yè)(2)變頻電路下圖是晶體管中波調(diào)幅收音機(jī)常用的變頻電路，其中本地振蕩和混頻都由三極管3AG1D完成。

圖中，R1，R2，R3是偏置電阻，L4，C4，C1B，C6組成振蕩回路，L3是反饋線圈。中頻回路L5C5的并聯(lián)阻抗對(duì)本振頻率而言可視為短路，因此，3AG1D構(gòu)成共基極變壓器耦合振蕩器。由磁性天線接收到的無線電信號(hào)經(jīng)過L1，C1A，C2組成的輸入回路，選出所需頻率的目標(biāo)信號(hào)，再經(jīng)L1與L2的變壓器耦合，送到晶體管的基極。本振信號(hào)經(jīng)C7注入晶體管的發(fā)射極，混頻后由集電極輸出。L3對(duì)中頻可視為短路，C5，L5調(diào)諧于中頻，以便抑制混頻輸出電流中的無用頻率分量(如fs,f0,f0+fs,2f0fs等)。輸出中頻分量fi=f0-fs，經(jīng)L6耦合至后級(jí)中頻放大器。晶體三極管混頻器的實(shí)際電路第19頁(yè)/共34頁(yè)4.晶體管混頻器工作狀態(tài)的實(shí)際選擇混頻器的Apc、噪聲系數(shù)NF等都與工作點(diǎn)電流Ic及本振電壓V0的大小有關(guān)，具體數(shù)學(xué)關(guān)系比較復(fù)雜，這里只介紹一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在中波廣播收音機(jī)中，最典型的曲線如圖所示，這是鍺三極管的情況；若為硅管，Apc的最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流Ie要略大一點(diǎn)。晶體管混頻器工作狀態(tài)的實(shí)際選擇第20頁(yè)/共34頁(yè)三極管混頻器的優(yōu)點(diǎn)：有變頻增益缺點(diǎn)：1、動(dòng)態(tài)范圍較小

2、組合頻率干擾嚴(yán)重

3、噪聲較大

4、存在本地輻射二極管混頻器的優(yōu)點(diǎn)：

1、動(dòng)態(tài)范圍較大

2、組合頻率干擾少

3、噪聲較小

4、不存在本地輻射缺點(diǎn)：無變頻增益第21頁(yè)/共34頁(yè)

1.平衡混頻器二極管可以工作在小信號(hào)非線性狀態(tài)，也可以工作在受大信號(hào)v0控制的開關(guān)狀態(tài)。小信號(hào)時(shí)平衡混頻器的分析采用冪級(jí)數(shù)分析法，混頻時(shí)輸入信號(hào)vD=vs+v0，輸出回路則諧振在中頻i上。二極管平衡混頻器和環(huán)型混頻器平衡混頻器原理電路

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)很小時(shí)，級(jí)數(shù)可只取前四項(xiàng)，得

利用三角公式展開，并分類整理，可得第22頁(yè)/共34頁(yè)

由上式可見，經(jīng)過二極管非線性變換后，出現(xiàn)了許多新頻率，但其中只有才是我們所需要的。這是由平方項(xiàng)產(chǎn)生的。其它頻率分量都是無用的產(chǎn)物，必須將它們抑制掉。

二極管平衡混頻器和環(huán)型混頻器第23頁(yè)/共34頁(yè)i1、i2以相反方向流過輸出端變壓器初級(jí)，使變壓器次級(jí)負(fù)載電流il1,=i1–i2

由于元器件的非線性作用，單管輸出電流中產(chǎn)生了輸入電壓中不曾有的新頻率成分，如輸入頻率的諧波20和2s、30和3s；輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率0+s、0–s、0+2s、0–2s、20+s、20–s。平衡混頻器輸出電流的頻率成份為：s、0+s、0–s、20+s、20–s、3s第24頁(yè)/共34頁(yè)2.環(huán)形混頻器環(huán)形混頻器由兩個(gè)平衡混頻器構(gòu)成，其主要優(yōu)點(diǎn)是輸出中頻信號(hào)是平衡混頻器的兩倍，而且抵消了輸出電流中的某些組合頻率分量，從而減小混頻器中所特有的組合頻率干擾。

環(huán)形混頻器第25頁(yè)/共34頁(yè)同理由平衡混頻器得：環(huán)型混頻器輸出電流的頻率成份為：0+s、0–s環(huán)形混頻器第26頁(yè)/共34頁(yè)目前，許多從短波到微波波段的整體封裝二極管環(huán)形混頻器已作為系列產(chǎn)品，一個(gè)用于0.5~500MHz的典型環(huán)形混頻器(SRA-1雙平衡混頻器)的外形及電路示于下圖。使用時(shí)，8，9端外接信號(hào)電壓s，3，4端相連，5，6端相連，然后在3，5端間加本振電壓L，中頻信號(hào)由1，2端輸出。

此電路除用作混頻器外，還可以用作相位檢波器、電調(diào)衰減器、調(diào)制器等。封裝環(huán)形混頻器的外形與電路環(huán)形混頻器第27頁(yè)/共34頁(yè)

五、模擬相乘器混頻電路

兩信號(hào)相乘可以得到其和、差頻分量，因此兩信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)混頻是最直觀的方法，利用模擬相乘器可構(gòu)成乘積型混頻器。MCI596是集成化模擬乘法器芯片，由它構(gòu)成的混頻電路，可大大減小由組合頻率分量產(chǎn)生的各種干擾，另外還具有體積小、重量輕、調(diào)整容易、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。被混頻的信號(hào)電壓由端子①輸入，最大值約15mV；本振電壓由端子⑧輸入，振幅約100mV；相乘后的信號(hào)由第⑥端子輸出經(jīng)帶通濾波后，即可獲得中頻信號(hào)輸出。輸入端不接調(diào)諧回路時(shí)為寬頻帶應(yīng)用。

MCI596構(gòu)成的集成混頻電路本電路可對(duì)高頻或甚高頻信號(hào)進(jìn)行混頻，如s的頻率為200MHz時(shí)，電路的混頻增益約為9dB，靈敏度為14V，當(dāng)輸入端接有阻抗匹配的調(diào)諧回路時(shí)，可獲得更高的混頻增益。輸出帶通濾波器的中心頻率約9MHz，其3dB帶寬為450kHz。模擬相乘器混頻電路第28頁(yè)/共34頁(yè)5.3混頻器的干擾1.有用信號(hào)和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾–干擾哨聲混頻器的輸出信號(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)。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。這種干擾又稱為干擾哨叫。即當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾哨叫。第29頁(yè)/共34頁(yè)2、外來干擾信號(hào)和本振產(chǎn)生的干擾(1)組合付波道干擾

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fo滿足會(huì)產(chǎn)生組合副波道干擾(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和鏡像干擾。1)中頻干擾當(dāng)干擾信號(hào)的頻率等于或接近fi時(shí)的干擾。2)鏡像頻率干擾當(dāng)外來干擾信號(hào)的頻率fn=