高頻電路教案第五章

章節(jié)內(nèi)容5.1非線性電路的分析教學(xué)方式理論講授教學(xué)時(shí)數(shù)2教學(xué)目的與要求1、掌握非線性電路的分析方法和條件2、掌握線性時(shí)變電路的概念和分析方法3、掌握單二級(jí)管電路、二級(jí)管平衡電路的分析方法教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：1）頻譜線性搬移的概念2）非線性電路、線性時(shí)變電路分析方法、3）單二級(jí)管電路、二級(jí)管平衡電路分析方法難點(diǎn)：非線性電路分析方法線性時(shí)變電路分析方法教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)教學(xué)進(jìn)程教學(xué)主要內(nèi)容教學(xué)方法引入教學(xué)內(nèi)容3分鐘講授27分鐘講授27分鐘講授20分鐘內(nèi)容小結(jié)3分鐘復(fù)習(xí):1.LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法2.石英晶體振蕩器的穩(wěn)頻原理3.晶體振蕩電路：皮爾斯振蕩器、泛音晶體皮爾斯振蕩器4.RC振蕩器的構(gòu)成與原理5.負(fù)阻振蕩電路原理新課講授一、頻譜的線性搬移電路1.1非線性電路的分析方法1.1.1非線性函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)分析法非線性器件的伏安特性,可用下面的非線性函數(shù)來(lái)表示:式中,u為加在非線性器件上的電壓。一般情況下,u＝EQ+u1+u2,其中EQ為靜態(tài)工作點(diǎn),u1和u2為兩個(gè)輸入電壓。用泰勒級(jí)數(shù)將式展開(kāi),可得非線性電路完成頻譜的搬移若作用在非線性器件上的兩個(gè)電壓均為余弦信號(hào),即u1＝U1cosω1t,u2＝U2cosω2t,則三個(gè)方面考慮:（1）從非線性器件的特性考慮。（2）從電路考慮。（3）從輸入信號(hào)的大小考慮。1.2線性時(shí)變電路分析法1．2．1對(duì)上式在EQ+u2上對(duì)u1用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),有頻率分量為例1一個(gè)晶體二極管,用指數(shù)函數(shù)逼近它的伏安特性,即在線性時(shí)變工作狀態(tài)下,上式可表示為式中是第一類(lèi)修正貝塞爾函數(shù)。因而1．2．2線性時(shí)變電路完成頻譜的搬移原理線性時(shí)變電路完成頻譜的搬移二、內(nèi)容小結(jié)1、非線性電路的分析方法和條件2、線性時(shí)變電路的概念和分析方法3、單二級(jí)管電路、二級(jí)管平衡電路的分析方法三、思考題與作業(yè)1）研討：非線性電路分析方法2）作業(yè)：5-1；5-2；5-3；5-4；5-5與學(xué)生互動(dòng)板書(shū)講解提問(wèn)板書(shū)提問(wèn)例題講解講解例題講解板書(shū)小結(jié)提問(wèn)章節(jié)內(nèi)容5.2二極管電路教學(xué)方式理論講授教學(xué)時(shí)數(shù)2教學(xué)目的與要求掌握二級(jí)管環(huán)形電路的分析方法、工作原理掌握單差分對(duì)電路的工作原理掌握差分對(duì)頻譜搬移電路原理圖，分析方法4.掌握雙差分對(duì)電路工作原理教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：二極管環(huán)形電路單差分對(duì)電路雙差分對(duì)電路難點(diǎn)：差分對(duì)電路特性雙差分對(duì)電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)教學(xué)進(jìn)程教學(xué)主要內(nèi)容教學(xué)方法引入教學(xué)內(nèi)容5分鐘新課程講授15分鐘講授新課15分鐘講授新課15分鐘講授新課25分鐘內(nèi)容小結(jié)5分鐘復(fù)習(xí)：1、非線性電路的分析方法和條件2、線性時(shí)變電路的概念和分析方法3、單二級(jí)管電路、二級(jí)管平衡電路的分析方法新課講授一、二極管電路1.1單二極管電路電路的原理電路如圖所示,輸入信號(hào)u1和控制信號(hào)（參考信號(hào)）u2相加作用在非線性器件二極管上。忽略輸出電壓u。對(duì)回路的反作用,這樣,加在二極管兩端的電壓uD為二極管可等效為一個(gè)受控開(kāi)關(guān),控制電壓就是uD。有由于u2＝U2≥cosω2t,則u2≥0對(duì)應(yīng)于2nπ-π/2≤ω2t≤2nπ+π/2,n=0,1,2,…,故有上式也可以合并寫(xiě)成由上式可以看出,流過(guò)二極管的電流iD中的頻率分量有:（1）輸入信號(hào)u1和控制信號(hào)u2的頻率分量ω1和ω2;（2）控制信號(hào)u2的頻率ω2的偶次諧波分量;（3）由輸入信號(hào)u1的頻率ω1與控制信號(hào)u2的奇次諧波分量的組合頻率分量（2n+1）ω2±ω1,n=0,1,2,…。1.2二極管平衡電路1．電路下圖是二極管平衡電路的原理電路。它是由兩個(gè)性能一致的二極管及中心抽頭變壓器T1、T2接成平衡電路的。二極管平衡電路2．工作原理與單二極管電路的條件相同,二極管處于大信號(hào)工作狀態(tài),即U2＞0.5V。這樣,二極管主要工作在截止區(qū)和線性區(qū),二極管的伏安特性可用折線近似。U2>>U1,二極管開(kāi)關(guān)主要受u2控制。若忽略輸出電壓的反作用,則加到兩個(gè)二極管的電壓uD1、uD2為：uD1=u2+u1；uD1=u2-u1由于加到兩個(gè)二極管上的控制電壓u2是同相的,因此兩個(gè)二極管的導(dǎo)通、截止時(shí)間是相同的,其時(shí)變電導(dǎo)也是相同的。由此可得流過(guò)兩管的電流i1、i2分別為但兩電流流過(guò)T2的方向相反,產(chǎn)生的磁通相消,故次級(jí)總電流iL應(yīng)為有考慮u1＝U1cosω1t,代入上式可得1.3二極管環(huán)形電路1．基本電路二極管環(huán)形電路的基本電路與二極管平衡電路相比,只是多接了兩只二極管VD3和VD4,四只二極管方向一致,組成一個(gè)環(huán)路,因此稱(chēng)為二極管環(huán)形電路。2．工作原理二極管環(huán)形電路的分析條件與單二極管電路和二極管平衡電路相同。平衡電路1與前面分析的電路完全相同。平衡電路1和2在負(fù)載RL上產(chǎn)生的總電流為iL=iL1+iL2=(i1-i2)+(i3-i4)例1在雙平衡混頻器組件的本振口加輸入信號(hào)u1,在中頻口加控制信號(hào)u2,輸出信號(hào)從射頻口輸出,如圖所示。忽略輸出電壓的反作用,可得加到四個(gè)二極管上的電壓分別為uD1=u1-u2uD2=u1+u2uD3=-u1-u2uD4=-u1+u2這些電流為i1=gDK（ω2t-π）uD1i2=gDK（ω2t）uD2i3=gDK（ω2t-π）uD3i4=gDK（ω2t）uD4這四個(gè)電流與輸出電流i之間的關(guān)系為i=-i1+i2+i3-i4=（i2-i4）-（i1-i3）=2gDK（ω2t）u1-2gDK（ω2t-π）u1=2gDK′(ω2t)u1二、內(nèi)容小結(jié)二級(jí)管環(huán)形電路的分析方法、工作原理單差分對(duì)電路的工作原理差分對(duì)頻譜搬移電路原理圖，分析方法4、雙差分對(duì)電路工作原理三、作業(yè)作業(yè)：5-6，5-7，5-8與學(xué)生互動(dòng)板書(shū)講解提問(wèn)板書(shū)提問(wèn)講解板書(shū)講解板書(shū)小結(jié)提問(wèn)章節(jié)內(nèi)容5.3差分對(duì)電路5.4其它頻譜線性搬移電路教學(xué)方式理論講授教學(xué)時(shí)數(shù)2教學(xué)目的與要求1、掌握晶體三極管頻譜線性搬移電路工作原理，分析方法2、了解場(chǎng)效應(yīng)管頻譜線性搬移電路工作原理，分析方法教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：晶體三極管頻譜線性搬移電路難點(diǎn)：1）時(shí)變跨導(dǎo)的求解教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)教學(xué)進(jìn)程教學(xué)主要內(nèi)容教學(xué)方法引入新的教學(xué)內(nèi)容5分鐘新課程講授15分鐘講授新課15分鐘講授新課15分鐘講授新課25分鐘內(nèi)容小結(jié)5分鐘復(fù)習(xí)：二級(jí)管環(huán)形電路的分析方法、工作原理單差分對(duì)電路的工作原理差分對(duì)頻譜搬移電路原理圖，分析方法4、雙差分對(duì)電路工作原理新課講授一、單差分對(duì)電路1.電路基本的差分對(duì)電路如圖5―14所示。圖中兩個(gè)晶體管和兩個(gè)電阻精密配對(duì)（這在集成電路上很容易實(shí)現(xiàn)）。(5―55)圖5―14差分對(duì)原理電路2.傳輸特性設(shè)Ｖ1,V2管的α≈1，則有ic1≈ie2,ic2≈ie2,可得晶體管的集電極電流與基極射極電壓ube的關(guān)系為雙端輸出的情況下有可得等效的差動(dòng)輸出電流io與輸入電壓u的關(guān)系式小結(jié)：（1）ic1、ic2和io與差模輸入電壓u是非線性關(guān)系——雙曲正切函數(shù)關(guān)系,與恒流源I0成線性關(guān)系。雙端輸出時(shí),直流抵消,交流輸出加倍。（2）輸入電壓很小時(shí),傳輸特性近似為線性關(guān)系,即工作在線性放大區(qū)。這是因?yàn)楫?dāng)|x|<1時(shí),tanh（x／2）≈x／2,即當(dāng)|u|＜VT＝26mV時(shí),io=I0tanh（u/2VT）≈I0u/2VT。（3）若輸入電壓很大,一般在|u|>100mV時(shí),電路呈現(xiàn)限幅狀態(tài),兩管接近于開(kāi)關(guān)狀態(tài),因此,該電路可作為高速開(kāi)關(guān)、限幅放大器等電路。（4）小信號(hào)運(yùn)用時(shí)的跨導(dǎo)即為傳輸特性線性區(qū)的斜率,它表示電路在放大區(qū)輸出時(shí)的放大能力,(5）當(dāng)輸入差模電壓u=U1cosω1t時(shí),由傳輸特性可得io波形,其所含頻率分量可由tanh（u/2VT）的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式求得,即3.差分對(duì)頻譜搬移電路差分對(duì)電路的可控通道有兩個(gè):一個(gè)為輸入差模電壓,另一個(gè)為電流源I0;故可把輸入信號(hào)和控制信號(hào)分別控制這兩個(gè)通道。二、雙差分對(duì)電路雙差分對(duì)頻譜搬移電路它由三個(gè)基本的差分電路組成,也可看成由兩個(gè)單差分對(duì)電路組成。V1、V2、V5組成差分對(duì)電路Ⅰ,V3、V4、V6組成差分對(duì)電路Ⅱ,兩個(gè)差分對(duì)電路的輸出端交叉耦合。io=iI-iII=(i1+i3)-(i2+i4)=(i1-i2)-(i4-i3)當(dāng)u1=U1cosω1t,u2=U2cosω2t時(shí),代入式（5―76）有考慮到ie5＋ie6=I0,則為了保證ie5和ie6大于零,uB的最大動(dòng)態(tài)范圍為雙差分對(duì)的差動(dòng)輸出電流可近似為

三、其它頻譜線性搬移電路3.1晶體三極管頻譜線性搬移電路可將ic表示為在時(shí)變工作點(diǎn)處,將上式對(duì)u1展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù),有圖5―21晶體三極管頻譜搬移原理電路一般情況下,由于U1<<U2,通?？梢圆豢紤]高次項(xiàng),則有ic=Ic0(t)+gm(t)u1等效為一線性時(shí)變電路,其組合頻率也大大減少,只有ω2的各次諧波分量及其與ω1的組合頻率分量nω2±ω1,n=0,1,2,…。3.2場(chǎng)效應(yīng)管頻譜線性搬移電路結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是利用柵漏極間的非線性轉(zhuǎn)移特性實(shí)現(xiàn)頻譜線性搬移功能的。場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性iD～uGS近似為平方律關(guān)系,其表示式