高頻電子線路張肅文第五版Chapter4非線性電課件

§4.1

非線性電路的特性及分析方法§4.2

線性時變參量電路分析§4.3

變頻電路§4.4混頻器中的干擾Chapter4

非線性電路、時變

參量電路和變頻器2023/10/71§4.1非線性電路的特性及分析方法Chapter4線性元件非線性元件工作特性頻率變換作用疊加原理滿足不滿足無頻率變化產(chǎn)生新的頻率直線關(guān)系正向：指數(shù)曲線反向：數(shù)值很小的反向飽和電流§4.1

非線性電路的特性及分析方法一、非線性元器件的特性2023/10/72線性元件非線性元件工作特性頻率變換作用疊加原理滿足不滿足無頻二、非線性電路的分析方法圖解法解析法——工程近似分析法非線性元件時變參量元件冪級數(shù)分析法指數(shù)函數(shù)分析法折線分析法線性時變電路分析法開關(guān)函數(shù)法工程近似分析法2023/10/73.二、非線性電路的分析方法圖解法解析法——工程近似分析法非線性1)冪級數(shù)分析法

常用的非線性元件的特性曲線均可用冪級數(shù)表示，如：

利用泰勒級數(shù)展開：靜態(tài)工作點電流靜態(tài)工作點處的電導(dǎo)2023/10/741)冪級數(shù)分析法常用的非線性元件的特性曲線均可用冪級數(shù)表冪級數(shù)分析法級數(shù)過多的時候，必將給計算帶來很大的麻煩：（1）若信號很小，且只工作在特性曲線比較接近于直線的部分解決辦法：只取冪級數(shù)的前兩項（2）如果作用于非線性元件上的電壓只工作于特性曲線的起始彎曲部分解決辦法：只取冪級數(shù)的前三項（3）如果加在非線性元件上的信號很大，特性曲線運用范圍很寬解決辦法：只取冪級數(shù)的三次項或者更高項2023/10/75冪級數(shù)分析法級數(shù)過多的時候，必將給計算帶來很大的麻煩：2022)折線分析法

適用于大信號情況。

在大信號條件下，忽略ic～uB非線性特性尾部的彎曲部分，由AB、BC兩個直線段所組成的折線來近似代替實際的特性曲線，而不會造成多大的誤差。

用數(shù)學(xué)式表示為：其中：VBZ—晶體管特性曲線折線化后的截止電壓

gc—跨導(dǎo)，即直線BC的斜率2023/10/76Copyrights?yaoping.Allrightsreserved.2)折線分析法適用于大信號情況。在大信號條件下，忽略晶體管的電流源(小信號工作狀態(tài))：1)線性時變電路分析法§4.2

線性時變參量電路分析法時變參量元件：其參數(shù)按照某一方式隨時間變化而變化的線性元件①時變跨導(dǎo)電路分析法按簡諧振蕩規(guī)律改變晶體管工作點，從而改變其跨導(dǎo)。②模擬乘法器電路分析法利用差分對乘法器組成集成電路的一種分析方法。2023/10/77晶體管的電流源(小信號工作狀態(tài))：1)線性時變電路分析法§42)開關(guān)函數(shù)法：

適用于器件反向偏置的情況。

利用傅里葉級數(shù)展開，有：2023/10/782)開關(guān)函數(shù)法：適用于器件反向偏置的情況。利用傅里葉以及直流分量，從而實現(xiàn)了變頻。電流i中包含的頻譜成分：，v2

的偶次諧波頻率2023/10/79以及直流分量，從而實現(xiàn)了變頻。電流i中包含的頻譜成分：例5.2若某非線性元件的伏安特性為試問：能否用該元件進行變頻、調(diào)幅和振幅檢波？為什么？分析：若能進行調(diào)幅、檢波的話，電流

i

中必須含有其中為高頻載波頻率，是低頻信號頻率。電流

i

中卻不含有故不能用它進行變頻，調(diào)幅與振幅檢波。2023/10/710例5.2若某非線性元件的伏安特性為試問：能否用該元件進行變頻§4.3

變頻電路1基本概念

2

晶體三極管混頻器3

二極管平衡混頻器和環(huán)型混頻器4

模擬相乘器混頻電路2023/10/711§4.3變頻電路1基本概念 2023/8/511一、基本概念1.混頻器的組成

混頻：對信號進行頻率變換，將其載頻變換到某一

固定頻率上，而保持原信號的特征不變?；祛l器的電路組成如圖所示如調(diào)幅規(guī)律中頻1.7~6MHz2.165~6.465MHz0.465MHz2023/10/712Copyrights?yaoping.Allrightsreserved.一、基本概念1.混頻器的組成混頻：對信號進行頻率變換，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變頻的缺點：容易產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等③工作穩(wěn)定性好④波段工作時其質(zhì)量指標一致性好②提高接收機的選擇性2023/10/7132.為什么要變頻？變頻的優(yōu)點：變頻的缺點：③工作穩(wěn)定性好②3.變頻器的分類按器件分：二極管混頻器、晶體管混頻器(變頻器)、場效應(yīng)管混頻器(變頻器)、差分對混頻器按工作特點分：單管混頻、平衡混頻、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2023/10/7143.變頻器的分類按器件分：二極管混頻器、晶體管混頻器(變頻4.混頻器的性能指標⑤工作穩(wěn)定性：本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度。①變頻(混頻)增益Avc②噪聲系數(shù)NF③選擇性：抑制中頻信號以外的干擾信號的能力。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。2023/10/7154.混頻器的性能指標⑤工作穩(wěn)定性：本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度疊加型混頻器實現(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，可達到混頻的目的。5.混頻器實現(xiàn)模型⑴疊加型和頻或差頻2023/10/716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：具有一定的混頻增益②場效應(yīng)管混頻器：交調(diào)、互調(diào)干擾少③二極管平衡混頻器和環(huán)形混頻器動態(tài)范圍大、組合頻率干擾少疊加型混頻器2023/10/717所用非線性器件的不同，疊加型混頻器有下列幾種：①晶體三極管混乘積型混頻器實現(xiàn)模型由模擬乘法器和帶通濾波器組成設(shè)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。⑵乘積型2023/10/718乘積型混頻器實現(xiàn)模型由模擬乘法器和帶通濾波器組成設(shè)輸入信號為

在混頻過程中，跨導(dǎo)隨振蕩電壓作周期性變化，混頻管可看成線性參變元件。當(dāng)高頻信號通過線性參變元件時，便產(chǎn)生各種頻率分量，達到變頻的目的。二、晶體三極管混頻器

1.

基本電路和工作原理VBB—基極偏置電壓VCC—集電極直流電壓L1C1—組成輸入回路，諧振于輸入信號頻率

sL2C2—組成輸出中頻回路，諧振于中頻

i=0–s

其中：2023/10/719在混頻過程中，跨導(dǎo)隨振蕩電壓作周期性變化，混頻管可看晶體管混頻器的四種基本電路：

圖(a)中，輸出阻抗較大，易起振，所需本地振蕩注入功率較小。但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)

產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小，振蕩波形好，失真小，但需要較大的本振注入功率。

圖(c)和(d)中，低頻時，變頻增益低，輸入阻抗也較低(一般都不采用)；高頻(幾十MHz)時，變頻增益較大(采用)。2023/10/720晶體管混頻器的四種基本電路：圖(a)中，輸出阻抗較大，易

在晶體管混頻器的分析中，我們將晶體管視為一個跨導(dǎo)隨本振信號變化的線性參變元件。

因V0>>Vsm,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(dǎo)gm(t)均隨v0

作周期性變化。2.分析方法——變跨導(dǎo)分析法加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線v0vs2023/10/721在晶體管混頻器的分析中，我們將晶體管視為一個跨導(dǎo)隨本振信

由于vs<<v0，可以近似認為其對器件的工作狀態(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，忽略二次方及其以上各項，則時變靜態(tài)電流I0(t)時變跨導(dǎo)g(t)2023/10/722由于vs<<v0，可以近似認為其對器件的工作狀態(tài)變化沒有則混頻后輸出的中頻電流為其振幅為2023/10/723則混頻后輸出的中頻電流為其振幅為2023/8/523

由上式引出變頻跨導(dǎo)gc的概念，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Vsm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。由實驗得出：2023/10/724由上式引出變頻跨導(dǎo)gc的概念，定義為輸出的中頻電流振故混頻電壓增益3.混頻器的增益混頻功率增益若電路匹配，使goc=GL，則可得到最大混頻功率增益2023/10/725故混頻電壓增益3.混頻器的增益混頻功率增益若電路匹配，使go例4.3用晶體管3DG8D組成混頻電路。已知工作點的發(fā)射級電流IE=0.5mA，本振電壓為150mV，信號頻率fs=40MHz，中頻頻率fi=1.5MHz，中頻負載電導(dǎo)GL=1mS。在工作頻率時，輸入電導(dǎo)gic=430μS,輸出電導(dǎo)goc=10μS。試求：變頻跨導(dǎo)gc

，變頻電壓增益Avc和功率增益Apc

。(已知3DG8D的特征頻率fT≥150MHz，rbb?≤15Ω)解：2023/10/726例4.3用晶體管3DG8D組成混頻電路。已知工作點的試求：變?nèi)龢O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2023/10/727三極管混頻器二極管混頻器2023/8/527小信號時，混頻時輸入信號VD=Vs+V0

二極管的伏安特性可用冪級數(shù)表示：1.平衡混頻器三、二極管平衡混頻器和環(huán)型混頻器

為簡化分析，忽略輸出電壓對二極管的反作用，則+++----++-2023/10/728小信號時，混頻時輸入信號VD=Vs+V0二極管的伏安特性利用三角公式展開，并分類整理，可得當(dāng)vD很小時，級數(shù)可只取前四項，得2023/10/729利用三角公式展開，并分類整理，可得當(dāng)vD很小時，級數(shù)可只取前

單管輸出電流中頻率為：輸入頻率的諧波2

0和2

s、3

0和3

s；輸入頻率及其諧波所形成的各種組合頻率

0±

s、

0±2

s、2

0±

s。平衡混頻器輸出電流的頻率成份為：

s、

0±

s、2

0±

s、

3

0i1、i2以相反方向流過輸出端變壓器初級，故變壓器次級負載電流il1=i1–i2

同理可得：

故平衡混頻器抑制了許多組合頻率，大大減小了組合頻率的干擾。2023/10/730單管輸出電流中頻率為：輸入頻率的諧波20和2s、3例5.4如圖所示電路中，二極管D1和D2特性相同，都為i=kv2,k為常數(shù)。試求輸出電壓vo的表示式(v1和v2均已知)。解：設(shè)流過兩個二極管的電流分別為i1，i2，則：2023/10/731例5.4如圖所示電路中，二極管D1和D2特性相同，都為i=k2.

環(huán)形混頻器+_2023/10/7322.環(huán)形混頻器+_2023/8/5322023/10/7332023/8/533由平衡混頻器得：環(huán)型混頻器輸出電流的頻率成份為：

n0±

ms故在實際應(yīng)用中，環(huán)型混頻器比平衡混頻器更優(yōu)越。(n和m均為奇數(shù))2023/10/734由平衡混頻器得：環(huán)型混頻器輸出電流的頻率成份為：n0

MCI596構(gòu)成的集成混頻電路四、模擬相乘器混頻電路2023/10/735MCI596構(gòu)成的集成混頻電路四、模擬相乘器混頻電路20

作業(yè)：

4-15作業(yè)：361.組合頻率干擾：有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾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(yīng)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。這種干擾又稱為哨聲干擾。即當(dāng)時會產(chǎn)生干擾哨叫?！?.4

混頻器中的干擾★2023/10/7371.組合頻率干擾：有用信號和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾混頻器的輸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(dāng)干擾頻率fn與本振頻率f0滿足會產(chǎn)生組合副波道干擾。2023/10/7382、外來干擾信號和本振產(chǎn)生的干擾(1)組合副波道干擾如(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(fn≈fi

)和鏡像干擾(fn≈fs+2fi

)。①中頻干擾干擾信號的頻率等于或接近fi時的干擾。②鏡像頻率干擾外來干擾信號的頻率時的干擾。形成鏡像對稱關(guān)系2023/10/739(2)副波道干擾在組合副波道干擾中，某些特定頻率形成的3、其他類型的干擾(1)交叉調(diào)制(交調(diào))干擾產(chǎn)生的原因：由混頻器3次方以上的非線性傳輸特性產(chǎn)生的?，F(xiàn)象：當(dāng)所接收電臺的信號和干擾電臺信號同時進入接收機輸入端時，如果接收機調(diào)諧于信號頻率，可以清楚地收到干擾電臺的聲音；若接收機對接收信號頻率失諧，干擾臺的聲音也消失。2023/10/740Copyrights?yaoping.Allrightsreserved.3、其他類型的干擾(1)交叉調(diào)制(交調(diào))干擾產(chǎn)生的原因：由混(2)互相調(diào)制(互調(diào))干擾

當(dāng)兩個或兩個以上的干擾進入到混頻器的輸入端時，它們與本振電壓v0一起加到混頻管的發(fā)射結(jié)。由于器件的非線性作用，它們將產(chǎn)生一系列組合頻率分量。如果某些分量的頻率等于或接近于中頻時，就會形成干擾，稱為互調(diào)干擾?，F(xiàn)象：接收機調(diào)諧于信號頻率，可以清楚地收到干擾信號電臺的聲音；若接收機對接收信號頻率失諧，干擾臺的聲音仍然存在。產(chǎn)生的原因：由非線性器件二次方以上的特性引起的。存在二階互調(diào)和三階互調(diào)及高階互調(diào)。2023/10/741(2)互相調(diào)制(互調(diào))干擾當(dāng)兩個或兩個以上的干擾進入到混(3)阻塞干擾

當(dāng)一個強干擾信號進入接收機輸入端后，由于輸入電路抑制不良，會使前端電路內(nèi)放大器或混頻器的晶體管處于嚴重的非線性區(qū)域，使輸出信噪比大大下降。這種現(xiàn)象稱為阻塞干擾。產(chǎn)生的原因：①強干擾作用下晶體管特性曲線非線性所引起的阻塞；②強干擾破壞了晶體管的工作狀態(tài)，管子產(chǎn)生假擊穿。(4)相互混頻

由于本振源內(nèi)存在雜散邊帶功率，強干擾與雜散邊帶噪聲混頻產(chǎn)生的頻率分量落在中頻通帶內(nèi)形成中頻噪聲。2023/10/742(3)阻塞干擾當(dāng)一個強干擾信號進入接收機輸入端后，由