通信電路知識-非線性電路知識介紹-課件

Chapter5

非線性電路、時變

參量電路和變頻器§5.1

非線性電路的特性及分析方法§5.2

線性時變參量電路分析§5.3

變頻電路1ppt課件§5.3

變頻電路5.3-1概述

5.3-2晶體三極管混頻器5.3-3混頻器的干擾2ppt課件5.3-1

概述1.

混頻器的作用與組成混頻即對信號進行頻率變換，將其載頻變換到某一固定的頻率上(常稱為中頻)，而保持原信號的特征(如調(diào)幅規(guī)律)不變?；祛l器的電路組成如圖所示3ppt課件

2

為什么要變頻？變頻的優(yōu)點：

1)變頻可提高接收機的靈敏度

2)提高接收機的選擇性

3)工作穩(wěn)定性好

4)波段工作時其質(zhì)量指標一致性好變頻的缺點：容易產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等干擾4ppt課件3.變頻器的分類平衡混頻、按器件分：二極管混頻器、三極管混頻器、三極管變頻器、場效應管混頻器、場效應管變頻器模擬乘法器混頻器按工作特點分：單管混頻環(huán)型混頻從兩個輸入信號在時域上的處理過程看：疊加型混頻器、乘積型混頻器5ppt課件4.混頻器的性能指標1)變頻(混頻)增益：混頻器輸出中頻電壓Vim與輸入信號電壓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。上述的幾個質(zhì)量指標是相互關聯(lián)的，應該正確選擇管子的工作點、合理選擇本振電路和中頻頻率的高低，使得幾個質(zhì)量指標相互兼顧，整機取得良好的效果。6ppt課件疊加型混頻器實現(xiàn)模型

圖示中的非線性器件具有如下特性：對其2次方進行分析：在二次方項中出現(xiàn)了和的相乘項，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)，可達到混頻的目的。7ppt課件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.場效應管混頻器它交調(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態(tài)范圍大組合頻率干擾少的優(yōu)點8ppt課件乘積型混頻器實現(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現(xiàn)模型如圖所示設輸入信號為普通調(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。9ppt課件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)電路對振蕩電壓來說是共發(fā)電路，輸出阻抗較大，混頻時所需本地振蕩注入功率較小。但因為信號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。對于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵，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10ppt課件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，變頻增益低，輸入阻抗也較低，因此在頻率較低時一般都不采用。但在較高的頻率工作時(幾十MHz)，因為共基電路的截止頻率f比共發(fā)電路的f要大很多，所以變頻增益較大。因此，在較高頻率工作時采用這種電路。11ppt課件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，它諧振于輸入信號頻率s。L2C2組成輸出中頻回路，它諧振于中頻i=o–s。設輸入信號，本振電壓實際上，發(fā)射結(jié)上作用有三個電壓12ppt課件晶體管混頻器的分析方法1.冪級數(shù)分析法2.變跨導分析法

在混頻時，混頻管可看著一個參數(shù)(跨導)在改變的線性元件，即變跨導線件元件。

在小信號運用的條件下，也可以將某些非線性元器件函數(shù)表達式用冪級數(shù)函數(shù)近似，使問題簡化。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+……

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由于信號電壓Vsm很小，無論它工作在特性曲線的哪個區(qū)域，都可以認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跨導隨本振信號變化的線性參變元件。變跨導分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變狀態(tài)，所以晶體管集電極靜態(tài)電流ic(t)和跨導gm(t)均隨作周期性變化。14ppt課件

由于信號vs遠小于v0，可以近似認為對器件的工作狀態(tài)變化沒有影響。此時流過器件的電流為

i(t)

=

f(v)=

f(v0+vs+vBB)

可將v0+vBB看成器件的交變工作點，則i(t)可在其工作點(v0+vBB)處展開為泰勒級數(shù)

由于vs的值很小，可以忽略二次方及其以上各項，則i(t)近似為

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其中f(v0+vBB)是vs=0時僅隨v0變化的電流，稱為時變靜態(tài)電流，f(v0+vBB)隨v0+vBB而變化，稱為時變電導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

16ppt課件若中頻頻率取差頻，則混頻后輸出的中頻電流為其振幅為

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由上式引出變頻跨導gc的概念，它的定義為

輸出的中頻電流振幅Ii與輸入高頻信號電壓的振幅Vs成正比。若高頻信號電壓振幅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。18ppt課件

混頻器除混頻跨導外，還有輸入導納、輸出導納、混頻增益等參數(shù)。前述已知在晶體管混頻器的分析中，把晶體管看成一個線性參變元件，因此可采用分析小信號線性放大器時所用的等效電路來分析混頻器的參數(shù)。晶體管混頻器的主要參數(shù)19ppt課件(1)

混頻輸入導納混頻輸入導納為輸入信號電流與輸入信號電壓之比，在計算混頻器的輸入導納時，可將圖所示的等效電路作進一步的簡化?；祛l器的輸入回路調(diào)諧于s，輸出回路調(diào)諧于1。對頻率s而言，輸出可視為短路，同時考慮到Cbe>>Cbc，由此得到輸入等效電路如圖所示，并可以算出混頻輸入導納為輸入導納的電導部分為而電納部分（電容）一般總是折算到輸入端調(diào)諧回路的電容中去。20ppt課件

(2)混頻輸出導納

混頻輸出導納為輸出中頻電流與輸出電壓之比，輸出導納是對中頻i而言在輸出端呈現(xiàn)的導納。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納為

輸出等效電路輸出導納中的電導為

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在混頻中，由于輸入是高頻信號，而輸出是中頻信號，二者頻率相差較遠，所以輸出中頻信號通常不會在輸入端造成反饋，電容Cbc的作用可忽略。另外，gce一般遠小于負載電導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

(3)

混頻跨導gc晶體管混頻器的轉(zhuǎn)移等效電路22ppt課件

由于g(t)是一個很復雜的函數(shù)，因此要從上式來求g1是比較困難的。從工程實際出發(fā)，采用圖解法，并作適當?shù)慕?，混頻跨導可計為：

g1是在本振電壓加入后，混頻管跨導變量中基波分量23ppt課件(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，圖中負載電導gL是輸出回路的諧振電導。故混頻電壓增益晶體三極管混頻器等效電路

由圖可以算出24ppt課件混頻功率增益如果電路匹配，使goc=gL，則可得到最大混頻功率增益25ppt課件3.

晶體三極管混頻器的實際電路

(1)混頻電路下圖是電視機中的混頻器電路。由高頻放大器輸入的信號，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。本振信號的頻率要比信號的圖像載頻高38MHz，為了減小兩個信號之間的相互影響，耦合電容C1的值取得很小。

電視機的混頻電路26ppt課件

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。次級回路用C2，C3分壓，目的是與75電纜特性阻抗相匹配。27ppt課件

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

晶體管混頻器實用電路28ppt課件(2)

變頻電路下圖是晶體管中波調(diào)幅收音機常用的變頻電路，其中本地振蕩和混頻都由三極管3AG1D完成。29ppt課件

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經(jīng)過L1，C1A，C2組成的輸入回路，選出所需頻率的目標信號，再經(jīng)L1與L2的變壓器耦合，送到晶體管的基極。本振信號經(jīng)C7注入晶體管的發(fā)射極，混頻后由集電極輸出。L3對中頻可視為短路，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耦合至后級中頻放大器。30ppt課件4.

晶體管混頻器工作狀態(tài)的實際選擇混頻器的Apc、噪聲系數(shù)NF等都與工作點電流Ic及本振電壓V0的大小有關，具體數(shù)學關系比較復雜，這里只介紹一些實驗結(jié)果。在中波廣播收音機中，最典型的曲線如圖所示，這是鍺三極管的情況；若為硅管，Apc的最大點所對應的電流Ie要略大一點。31ppt課件三極管混頻器優(yōu)點：有變頻增益缺點：1、動態(tài)范圍較小

2、組合頻率干擾嚴重

3、噪聲較大

4、存在本地輻射二極管混頻器優(yōu)點：1、動態(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：無變頻增益32ppt課件

二極管可以工作在小信號非線性狀態(tài)，也可以工作在受大信號v0控制的開關狀態(tài)。小信號時平衡混頻器的分析采用冪級數(shù)分析法，混頻時輸入信號，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數(shù)表示：

為簡化分析，忽略輸出電壓對二極管的反作用，則

1.平衡混頻器33ppt課件利用三角公式展開，并分類整理，可得當很小時，級數(shù)可只取前四項，得34ppt課件

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。i1、i2以相反方向流過輸出端變壓器初級，使變壓器次級負載電流il1,=i1–i2

35ppt課件

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、3s36ppt課件2.

環(huán)形混頻器

環(huán)形混頻器由兩個平衡混頻器構(gòu)成，其主要優(yōu)點是輸出中頻信號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。

37ppt課件由平衡混頻器得：環(huán)型混頻器輸出電流的頻率成份為：

0+s、0–s38ppt課件

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，8，9端外接信號電壓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39ppt課件

兩信號相乘可以得到其和、差頻分量，因此兩信號相乘實現(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構(gòu)成的集成混頻電路五、模擬相乘器混頻電路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。40ppt課件被混頻的信號電壓由端子①輸入，最大值約15mV；本振電壓由端子⑧輸入，振幅約100mV；相乘后的信號由第⑥端子輸出經(jīng)帶通濾波后，即可獲得中頻信號輸出。輸入端不接調(diào)諧回路時為寬頻帶應用。

本電路可對高頻或甚高頻信號進行混頻，如s的頻率為200MHz時，電路的混頻增益約為9dB，靈敏度為14V，當輸入端接有阻抗匹配的調(diào)諧回路時，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。

MCI596構(gòu)成的集成混頻電路41ppt課件5.3-3

混頻器的干擾1.

有用信號和本振產(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頻率的諧波次數(shù)。只有p=q=1對應的頻率為f0-fs的分量是所需要的中頻信號。

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，通過中放進入檢波器，并在檢波電路中與有用信號產(chǎn)生差拍，這時在接收機的輸出端將產(chǎn)生哨叫聲，形成有害的干擾。這種干擾又稱為干擾哨叫。即當時會產(chǎn)生干擾哨叫。42ppt課件2、外來干擾信號和本振產(chǎn)生的干擾(1)

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外，干擾信號也會進入混頻器。當干擾頻率fn與本振頻率fo滿足會產(chǎn)生組合副波道干擾。時，43ppt課件(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)中頻干擾當干擾信號的頻率等于或接近fi

時的干擾。2)鏡像頻率干擾當外來干擾信號的頻率fn=fo+f1=時的干擾4