第五章頻譜的線性搬移電路

5.1非線性電路的分析方法5.2二極管電路

5.3差分對電路5.4其它頻譜線性搬移電路第5章頻譜的線性搬移電路2023/2/1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Ffc+Ffc-F2023/2/15.1非線性電路的分析方法5.1.1非線性函數(shù)的級數(shù)展開分析法2023/2/1工程計算工程計算所允許的準確度范圍內(nèi)，盡量選取少量的項數(shù)近似線性近似二次項近似三次項近似小信號線性分析變頻分析非線性分析2023/2/1非線性分析2023/2/1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)）只和冪級數(shù)偶次項系數(shù)有關(guān)；奇次頻率分量只和奇次項系數(shù)有關(guān)。

m次頻率分量，其振幅只和冪級數(shù)中m次項的系數(shù)有關(guān)。（p和q為包括零在內(nèi)的正整數(shù)）

所有的頻率分量總是成對出現(xiàn)的：2023/2/1非線性電路完成頻譜的搬移輸入信號參考信號控制信號二次方項2023/2/15.1.2線性時變電路分析法對于弱信號：在控制信號的某一個瞬時值，電路所呈現(xiàn)的微分電導(dǎo)可以認為是常數(shù)。時變電路：對于弱信號而言，可以看成是一個參量隨時間變化的線性電路?？刂菩盘柺菚r變信號，因此參變量是時變參量，所以電路稱為線性時變電路。若一個弱信號加在一個強的控制信號之上2023/2/1線性時變電路!針對小信號的線性電路將三極管的轉(zhuǎn)移特性在上展開冪級數(shù)：若在以上電路中為大信號，為小信號2023/2/1若控制信號（本振信號）為一單頻正弦波，則其時變跨導(dǎo)是周期函數(shù)。若在以上電路中uL(t)為大信號，uS(t)為小信號2023/2/1輸出信號中含有的頻率分量2023/2/1線性時變電路完成頻譜的搬移n=12023/2/1

5.2二極管電路

在大信號作用下，二極管電路為非線性電路，可以完成頻譜搬移功能。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單、噪聲低、組合頻率分量少、工作頻帶寬等優(yōu)點。二極管電路的主要缺點是無增益。2023/2/15.2.1單二極管電路輸入信號參考信號控制信號非線性器件濾波器忽略輸出電壓uo對回路的反作用，則uD=u1+u2+

uD-2023/2/12023/2/1令時變電導(dǎo)2023/2/12023/2/1二極管電流iD中的頻率分量有:(1)ω1和ω2;(2)ω2的偶次諧波分量;(3)(2n+1)ω2±ω1

，

n=0，1，2，…

182023/2/1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狀態(tài)，二極管特性的折線近似就是不正確的了，可以用級數(shù)展開法分析。2）若U2>>U1不滿足，等效的開關(guān)控制信號不僅僅是u2，還應(yīng)考慮u1的影響，這時等效的開關(guān)函數(shù)的通角不是固定的π／2，而是隨u1變化的。3）忽略了輸出電壓uo對回路的反作用，這是由于在U2>>U1的條件下，輸出電壓uo的幅度相對于u2而言，有U2>>Uo，若考慮uo的反作用，頻率分量不會變化輸出信號幅度降低。2023/2/15.2.2二極管平衡電路1.電路兩個二極管性能一致；兩個中心抽頭變壓器的變比N1：N2=1：1。2023/2/12.工作原理假定條件：

U2>>U1，二極管開關(guān)主要受控制；忽略輸出電壓的反作用。2023/2/12023/2/1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稱性和控制電壓相對于兩個二極管的同相性抵消了以上的頻率分量。2023/2/1實際電路中，以下兩個條件往往不滿足：1.兩個二極管性能一致；2.變壓器抽頭完全準確。這會導(dǎo)致電路不平衡，使輸出端出現(xiàn)2。（本振信號的基波分量或載漏）。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中心抽頭處接入50~100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。2023/2/1二極管橋式電路特點：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。原理電路實際電路橋路輸出加至晶體管基級，經(jīng)放大、濾波后輸出所需頻率分量。2023/2/15.2.3二極管環(huán)形電路1.基本電路特點：四只二極管方向一致，組成一個環(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變化，兩組二極管交替導(dǎo)通和截至。2023/2/1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。2023/2/12.工作原理平衡電路I平衡電路II2023/2/1環(huán)形電路的開關(guān)函數(shù)波形圖2023/2/1二極管環(huán)形電路的輸出頻率

輸出電流中僅含有控制信號的奇次諧波與輸入信號的組合分量（2n+1）21,n=0,1,2,…。在平衡電路的基礎(chǔ)上，又消除了輸入信號的頻率分量1，且輸出頻率分量的幅度等于平衡電路的兩倍。2023/2/1實際的二極管環(huán)形電路為了解決二極管特性參差性問題，將每臂用兩只二極管并聯(lián)。2023/2/1雙平衡混頻器組件這種組件是由精密配對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：頻帶寬、動態(tài)范圍大、損耗小、頻譜純、隔離度高，而且，三個端口可以互換。2023/2/1例2

在上圖所示的雙平衡混頻器組件的本振口加輸入信號u1，在中頻口加控制信號u2，輸出信號從射頻口輸出，如右圖所示。忽略輸出電壓的反作用，可得加到四個二極管上的電壓分別為

uD1=u1－u2uD2=u1+u2

uD3=－u1－u2uD4=－u1+u2由此可見，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>>U1，四個二極管的通斷受u2的控制，由此可得流過四個二極管的電流與加到二極管兩端的電壓的關(guān)系為線性時變關(guān)系，這些電流為：2023/2/1

i1=gDK(ω2t－π)uD1

i2=gDK(ω2t)uD2

i3=gDK(ω2t－π)uD3

i4=gDK(ω2t)uD4這四個電流與輸出電流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。2023/2/1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，可減少整機的體積和重量，提高整機的性能和可靠性，簡化整機的維修，提高了整機的標準化、通用化和系列化程度。2023/2/15.3差分對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模擬信號瞬時值相乘功能的電路或器件。理想特性：

廣泛應(yīng)用于通信電路系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)幅，檢波和混頻等功能。電路符號的三種表示方法：2023/2/1線性與非線性如果其中一個輸入為控制信號，則可視為是時變參量器件模擬相乘器本質(zhì)上是一個非線性器件產(chǎn)生了新的頻率分量模擬相乘器可以做為線性器件和時變參量器件如果其中一個輸入為直流，則可視為線性器件2023/2/1四象限工作（四象限乘法器）2023/2/15.3.1單差分對電路1電路兩管靜態(tài)工作電流相等2023/2/12傳輸特性2023/2/12023/2/1差分對的傳輸特性2023/2/1差分對傳輸特性的討論1)小信號輸入時2023/2/12)大信號輸入時2023/2/13）小信號運用時的跨導(dǎo)4）輸出電流所含頻率分量的傅里葉級數(shù)展開：2023/2/12023/2/13差分對頻譜搬移電路2023/2/15.3.2雙差分對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，以獲得理想的相乘器功能,可在四個象限工作。對該電路進一步的改進，可以擴展兩個輸入信號的線性輸入范圍。2023/2/12023/2/1大信號輸入時雙差分對電路的輸出電壓中含有兩輸入信號奇次諧波所構(gòu)成的組合頻率分量。因此，雙差分對電路不能等效為一理想的乘法器。2023/2/1小信號輸入時實現(xiàn)了兩個輸入電壓的線性相乘；動態(tài)范圍太小，；增益系數(shù)和溫度T有關(guān)。2023/2/1作為通用相乘器，Gilbert相乘器有如下缺點小信號輸入動態(tài)范圍小電路的溫度穩(wěn)定性差為了克服上述缺點，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2023/2/1用電阻負反饋實現(xiàn)線性電壓-電流變換2023/2/1反雙曲正切函數(shù)變換兩個輸入電壓的范圍得到擴展，增益受穩(wěn)定影響小。線形電壓電流變換器2023/2/1MC1596內(nèi)部電路負反饋電阻設(shè)置恒流源2023/2/15.4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幅度很小參考信號幅度很大靜態(tài)工作點電壓時變靜態(tài)工作點電壓輸入信號與參考信號都加到晶體管的發(fā)射結(jié)，利用其非線性特性，產(chǎn)生兩信號頻率的組合頻率分量，再經(jīng)集電極輸出回路選頻，從而達到頻譜線性搬移的目的。2023/2/1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。及測量儀器中。電路簡單、要求本振信號幅度較小，有變頻增益。2023/2/1以上電路：參考信號為大信號，輸入信號為小信號。對于輸入小信號：在參考信號的某一個瞬時值，電路所呈現(xiàn)的微分跨導(dǎo)可以認為是常數(shù)。電路等效為：輸入信號為，工作點為

的小信號放大器。線性時變電路：時變跨導(dǎo)將三極管的轉(zhuǎn)移特性在上展開冪級數(shù)：2023/2/1時變工作點電流：時變跨導(dǎo)：2023/2/1和差頻項有用信號變頻跨導(dǎo)