通信电路ch04_3

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1、笫4章 非线性电路及其分析方法 o 本章主要内容 4.14.1非线性电路的基本概念与非线性元件非线性电路的基本概念与非线性元件 4.1.1 4.1.1非线性电路的基本概念非线性电路的基本概念 4.1.2 4.1.2非线性元件及其特性非线性元件及其特性 4.1.34.1.3非线性元件的描述方法非线性元件的描述方法 4.24.2非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法 4.2.1幂级数分析法 4.2.2折线分析法（含哪些频率分量，幅度多大） 4.3、非线性电路的应用举例及高频功率放大器 4.3.1 C类谐振功率放大器 4.3.2 D类和E类功率放大器 4.3.3 倍频器 4.3.4 模拟相乘器 4

2、.4、时变参量电路与变频器 1 4.4时变参量电路与变频器 o 4.4.1 参变电路与常用参变电路类型 o 4.4.2 时变参量线性电路 o 4.4.3 变频电路 o 4.4.4变频干扰 2 4.4.1 参变电路与常用参变电路类型 o 定义：若电路中仅有一个参量受外加信号的控制而按一定规 律变化，则称该电路为参变电路，外加信号为控制信号。 o 虚线表示不同输入电 压处的微分斜率g与V 的关系 o 外加信号 是 正弦形信号。 o 右图跨导 g 受 控 制而按一定规律变化， 虽不是正弦形信号，但 是一个周期性信号。 参变电路 示意图 返回返回 n可以用傅立叶级数展开研 究时变参量电路 返回返回1

3、1 3 参变电路与常用参变电路类型（续1） o 常用参变电路：电阻性和电容性参变电路。 （1）电阻性参变电路 电阻性参变电路的参量选择为i-v曲线的微分斜率，常 用跨导 表示。例如：当晶体管的发射结加控制电压 改变管子工作点时，跨导将随控制电压而变化。 时变跨导电路。 （2）电容性参变电路 电容性参变电路的参量选择为微分电容，即Q-V曲线 的微分斜率。例如，变容二极管的微分电容随加于变 容管两端电压的变化曲线。用于直接调频振荡器电路 。 4 4.4.2 时变参量线性电路 参变电路特殊工作方式 o当参变电路上加两个输入信号，一个是控制（参考）信号， 通常为强信号；另一个是被处理信号，通常是弱信号

4、 时，如三 极管变频器。 o 模拟乘法器电路也可看作是时变参量电路的一种。 则 可视为 的时变电压放大系数。 n如果一个弱信号加在一个强的控制信号之 上，对于弱信号而言，在控制信号的某一个 瞬时值，电路所呈现的微分斜率可以认为是 常数，此时，参变电路对于弱信号可以看成 是个参量变化的线性电路 n因为控制信号是时变信号，受其控制的 器件的微分电导随时间周期变化，因此 称之为时变参量线性电路。 5 4.4.3 变频电路（convertor) （1）变频电路的工作原理 o 变频是将两个不同信号加到非线性 器件上进行频率变换，取出其差频或 和频（ 中频）的过程。 o变频电路是时变参量线性电路，有三个端

5、口，一是射频口，输入 射频信号（弱信号） ；二是本振口，输入本振信号（强信号）；三 是中频口，接滤波器，取出中频信号。时域看中频信号的波形与输 入的射频信号只是载波频率不同。 o 变频电路有两类：一类是电路中自身产生本振信号；一类需 由外部输入本振信号。通常称前者为变频器，后者为混频器。 (mixer) v v1 1 v v2 2 非线性非线性 器件器件 o频域上：变频电路实现信号频谱在频 率轴上的搬移。只变载频不改变已 调信号的频谱结构（准线性电路）。 带带 通通 变频器模型变频器模型 6 理想变频器（混频器） o 实现频率变换 对时域信号而言不是混合 而是相乘。 p 理想混频输出只有和频及

6、 差频分量。 7 变频器中三个频率之间的关系 l输出频率 高于 的变频器称为上变频器， l输出频率 低于 的称为下变频器。 l一般，接收机采用下变频，发射机采用上变频。 （2）变频电路的主要技术指标主要技术指标 o 变频增益：变频增益是指变频器的输出信号功率 （中频）和 输入信号功率 （射频）之比。 常用分贝表示，即： ： 输入信号的载频 ：本振频率 ：中频频率 有关计算见习题有关计算见习题 8 o 噪声系数： 由于接收机整机噪声系数主要取决于前级电路的噪声 性能，特别是在没有高频放大器的情况下，变频电路 的噪声系数对整机影响较大。 o 线性范围： l 1dB压缩点：变频增益下降1dB时所对应

7、的输入（ 输出中频）功率值（用dBm表示）。 l 动态范围：上限1dB压缩点，下限由噪声系数确定 的最小输入信号功率。 o 工作稳定性：是指控制信号（本振信号）频率稳定度。 （2）变频电路的主要技术指标（续） 9 （2）变频电路的主要技术指标（续） o 三阶互调截点：三阶互调产生的分量与有用的中频相等时 对应的输入信号功率记为IIP3，输出功率OIP3。 混频器的混频器的1dB压缩点与三阶互调截点三阶互调截点 混频器的三阶交互调混频器的三阶交互调 制失真分量位于中频制失真分量位于中频 10 o 隔离度：指混频器各端口之间的隔离。定义为本端口功 率与其窜通到另一端口的功率之比，用dB表示。 接收

8、机中本振端口向输入信号端口的窜通危害最大。本振信 号会通过输入信号回路加到天线上，产生本振功率的反向辐 射，严重干扰邻近接收机。 o 变频失真：加在变频电路的输入端除有用信号外， 还同时存在许多干扰信号，由于非线性，变频电路 输出电流中有众多组合频率分量，除了有用的中频 外，还有某些组合频率分量的频率十分接近中频， 输出中频滤波器无法滤除它们。这些寄生分量叠加 在有用中频上，引起失真，该失真通称为变频失真 。 （2）变频电路的主要技术指标（续） 11 （3）变频电路的实现 o 变频本质上是一种频谱搬移。在发射机中它将 已调制的中频信号搬移到射频段；在接收机中 ，将接收到的射频信号搬移到中频上。

9、 o 实现频谱搬移的基本方法是将两个信号相乘。 o 实现相乘的方法有多种：模拟相乘器电路；工作 在线性时变状态的非线性器件，例如，二极管、 双极型晶体管、场效应管等。 o 为减少无用分量，常采用多个非线性器件组成的 对称平衡电路。 12 （4）常用变频电路举例 晶体三极管混频器 o常用三极管混频器的几种基本形式（高频等效电路）。 共同特点是利用三极管转移特性的非线性实现频率变换。 (a)基极注入 基极输入 （共射） (b)基极输入 射极注入 （共射） (c)射极输入 射极注入 （ 共基） (d)基极注入 射极输入（ 共基） 13 三极管混频器原理说明 l l基极回路加了三个电压，信号、本振、偏

10、置电压。加在基极回路加了三个电压，信号、本振、偏置电压。加在发射结发射结 上的电压为三者之和。上的电压为三者之和。 l l本振电压较大，本振电压较大，把本振和偏置电压视为三极管把本振和偏置电压视为三极管等效基极偏置电等效基极偏置电 压压，称为时变基极偏压。，称为时变基极偏压。 l l当输入信号很小时，满足当输入信号很小时，满足线性时变条件时变条件，三极管变频器可以看 成是一个参量变化的线性电路。在时变基极偏压作用下，基极偏压作用下， 随本随本 振信号而变。振信号而变。 表示为表示为 小取前两项，线性小取前两项，线性 返回返回 系数是系数是 非线性函数，随时间变化非线性函数，随时间变化 14 三

11、极管混频器原理（续2） o 本振电压 为正弦电压，但受其控制的时变跨导 g 并不是正弦形信号，而是个周期性信号g(t)。 o 时变跨导 周期为本振信号的周期 。则 可展开成傅立叶级数，即 o 变频器的输出信号电流 将表示为： （时变参量线性电路的特点 ） o 电流i与输入电压成正比（线性），但系数g是时变的。 n n变频垮导是时变垮导基波分量的一半变频垮导是时变垮导基波分量的一半 15 三极管混频器（续3） o在变频器输出信号中含有： n频率 的输入信号频率成分 不要 n 需要的中频为 的信号由 产生 n 输入信号频率 与本振信号频率的各次谐波之间的组合频率 。可能对变频器输出信号形成干扰。

12、o 理想变频电路性能： n 变频器传输函数中只有 项，不含其它各项。 n为了得到这个结果，要求 曲线为直线。 也即 曲线为一平方曲线。 n 工作在饱和区的MOSFET 曲线为一平方曲线。混频电路中采 用MOSFET是有利的。 中频电流中频电流 16 电视机混频电路 输入信号输入信号v v c c 、本振信号、本振信号v v l l 都加在混频都加在混频 管基极。管基极。R R 1 1 、R R 2 2 、为基极偏置。、为基极偏置。 17 二极管平衡混频器 平衡混频器如习题4-30 返回 若二极管 和 特性相同，且均可表示为： 试求通过二极管的电流 和 中，含有哪些频率分量？ 输出电流中含哪些分

13、量？输出电流中含哪些分量？ 18 二极管平衡混频器（续1） 若两个二极管特性相同并可用N阶幂级数表示，则它们 的电流可分别表示为： 输入信号电压： 本振电压： 则二极管 两端的 电压分别为： o电路分析： 上图 19 二极管平衡混频器（续2） o 则在二极管平衡混频器的输出电流 中： n 没有本振信号频率的基波和各次谐波。 n 没有输入信号频率的偶次谐波分量，也没有含信号频率偶 次谐波成分的组合频率分量。 n 含有输入信号频率的基波，奇次谐波和这些信号与本振频 率各次谐波之间的组合频率分量。 n 若在负载处接入选频电路，仅使频率为 的信号通过，即可完成混频的作用。 20 二极管双平衡混频器（参

14、见指导书p153) 四个二极管特性完全一致，变压器中心抽头准确四个二极管特性完全一致，变压器中心抽头准确 本振信号幅度足够大，本振信号幅度足够大， 使二极管工作于开关状态使二极管工作于开关状态 。输出相当于。输出相当于输入信号与一个双向开关函数相乘输入信号与一个双向开关函数相乘。 若采用传输线变压器，工作频率高（几若采用传输线变压器，工作频率高（几GHzGHz），噪声系），噪声系 数小，动态范围大，有几数小，动态范围大，有几dBdB插损。微波波段混频插损。微波波段混频 21 p理想的变频过程只是将输入信号的频谱在频率轴上平移，信号频 谱结构不应发生变化。 p实际电路的非理想工作状态，在变频输出

15、信号中出现干扰信号， 称变频干扰。以接收机为例，说明变频干扰产生的原因及其表现。 高频 放大 混频器 中频 放大 本地 振荡器 放大的信号 电压 本振 电压 中频信号 电压 干扰信 号电压 检波器 输入信号 电压 返回1返回2返回3 返回4返回5返回6 4.4.4变频干扰 22 变频干扰产生原因： o 高频放大器具有非线性特性（转移特性含三次及 三次以上项）； o 本振信号的各次谐波； o 变频器的非线性（不能看作为时变参量线性电路 ）。 变频干扰产生原因 o 高频放大器的频率特性不理想（对干扰信号抑制不够 ）； 23 o 产生的原因： n 高频放大器的频率特性不理想。不能将频率等于中频频率的 干扰信号滤除而使其到达变频器的输入端。 n 变频器的变频特性中的 项使变频器相当于放大器。使中频 干扰信号经变频器而到达中频放大器输入端，经中频放大器放大 后输出，形成中频干扰。 上图1 o 减小中频干扰的主要方法是： n 减小三极管变频特性中的 项。这就需要适当选择变频三 极管的静态工作点和本振电压的幅度，使变频跨导与本振电压 近似为线性关系。 n 提高变频器前面各级电路的选择性，抑制中频信号通过。有时 在高频放大器输入回路中接入中频陷波器或高通滤波器，以抑制 中频干扰。 举例： 466KHz和465KHz信号在检波器差拍检波后