高频电子线路张肃文第五版chapter4__非线性电路、时变参量电路和变频器

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1、*1 4.1 非线性电路的特性及分析方法 4.2 线性时变参量电路分析 4.3 变频电路 4.4 混频器中的干扰 Chapter 4 非线性电路、时变 参量电路和变频器 Date *2 线性元件非线性元件 工作特性 频率变换作用 叠加原理满足不满足 无频率变化产生新的频率 直线关系 正向：指数曲线 反向：数值很小的反向饱和电流 4.1 非线性电路的特性及分析方法 一、非线性元器件的特性 Date *.3 二、非线性电路的分析方法 图解法 解析法 工程近似分析法 非线性元件 时变参量元件 幂级数分析法 指数函数分析法 折线分析法 线性时变电路分析法 开关函数法 工 程 近 似 分 析 法 Dat

2、e *4 1)幂级数分析法 常用的非线性元件的特性曲线均可用幂级数表示， 如： 利用泰勒级数展开： 静态工作点电流 静态工作点处的电导 Date *5 幂级数分析法级数过多的时候，必将给计算带来 很大的麻烦： （1） 若信号很小，且只工作在特性曲线比较接 近于直线的部分 解决办法：只取幂级数的前两项 （2）如果作用于非线性元件上的电压只工作于 特性曲线的起始弯曲部分 解决办法：只取幂级数的前三项 （3）如果加在非线性元件上的信号很大，特性 曲线运用范围很宽 解决办法：只取幂级数的三次项或者更高项 Date *Copyrights yaoping. All rights reserved.6 2

3、)折线分析法 适用于大信号情况。 在大信号条件下，忽略icuB非线 性特性尾部的弯曲部分，由AB、BC 两个直线段所组成的折线来近似代 替实际的特性曲线，而不会造成多 大的误差。 用数学式表示为： 其中：VBZ晶体管特性曲线折线化后的截止电压 gc 跨导，即直线BC的斜率 Date * 7 晶体管的电流源(小信号工作状态)： 1)线性时变电路分析法 4.2 线性时变参量电路分析法 时变参量元件：其参数按照某一方式随时间变化而变 化的线性元件 时变跨导电路分析法 按简谐振荡规律改变晶体管工作点，从而改变其跨导。 模拟乘法器电路分析法 利用差分对乘法器组成集成电路的一种分析方法。 Date *8

4、2)开关函数法： 适用于器件反向偏置的情况。 利用傅里叶级数展开，有： Date *9 以及直流分量，从而实现了变频。 电流 i 中包含的频谱成分： ，v2 的偶次谐波频率 Date *10 例5.2 若某非线性元件的伏安特性为 试问：能否用该元件进行变频、调幅和振幅检波？ 为什么？ 分析： 若能进行调幅、检波的话，电流 i 中必须含有 其中 为高频载波频率， 是低频信号频率。 电流 i 中却不含有 故不能用它进行变频，调幅与振幅检波。 Date * 11 4.3 变频电路 1 基本概念 2 晶体三极管混频器 3 二极管平衡混频器和环型混频器 4 模拟相乘器混频电路 Date *Copyrig

5、hts yaoping. All rights reserved.12 一、基本概念 1. 混频器的组成 混频：对信号进行频率变换，将其载频变换到某一 固定频率上，而保持原信号的特征不变。 混频器的电路组成如图所示 如调幅规律 中频 1.76MHz 2.1656.465MHz 0.465MHz Date *13 2. 为什么要变频？ 变频的优点： 变频可提高接收机的灵敏度 变频的缺点： 容易产生镜像干扰、中频干扰等 工作稳定性好 波段工作时其质量指标一致性好 提高接收机的选择性 Date *14 3. 变频器的分类 按器件分：二极管混频器、晶体管混频器(变频器)、 场效应管混频器(变频器) 、

6、差分对混频器 按工作特点分：单管混频、平衡混频、环型混频 从两个输入信号在时域上的处理过程看： 叠加型混频器、乘积型混频器 Date *15 4.混频器的性能指标 工作稳定性：本地振荡器的频率稳定度。 变频(混频)增益Avc 噪声系数NF 选择性： 抑制中频信号以外的干扰信号的能力。 非线性干扰： 抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。 Date *16 叠加型混频器实现模型 图示中的非线性 器件具有如下特性 ： 对其2次方进行分析： 在二次方项中出现了和的相乘项，因而可以得到 (0+s)和(0-s)。若用带通滤波器取出所需的中 频成分，可达到混频的目的。 5.混频器实现模型 叠加型

7、和频或差频 Date *17 所用非线性器件的不同，叠加型混频器有下列几种 ： 晶体三极管混频器： 具有一定的混频增益 场效应管混频器：交调、互调干扰少 二极管平衡混频器和环形混频器 动态范围大、组合频率干扰少 叠加型 混频器 Date *18 乘积型混频器实现模型 由模拟乘法器和带通滤波器组成 设输入信号为普通调幅波 采用中心频率不同的带通滤波器(0s)t或(0+s)t 则可完成低中频混频或高中频混频。 乘积型 Date *19 在混频过程中，跨导随振荡电压作周期性变化，混 频管可看成线性参变元件。当高频信号通过线性参变 元件时，便产生各种频率分量，达到变频的目的。 二、晶体三极管混频器 1

8、. 基本电路和工作原理 VBB 基极偏置电压 VCC 集电极直流电压 L1C1组成输入回路， 谐振于输入信号频率s L2C2 组成输出中频回路， 谐振于中频i=0s 其中： Date *20 晶体管混频器的四种基本电路： 图(a)中，输出阻抗较大，易起振，所需本地振荡注 入功率较小。但信号输入电路与振荡电路相互影响较 大(直接耦合)，可能产生频率牵引现象。 图(b) 产生牵引现象的可能性小，振荡波形好，失 真小，但需要较大的本振注入功率。 图(c)和(d)中，低频时，变频增益低，输入阻抗也 较低(一般都不采用)；高频(几十MHz)时，变频增益 较大(采用)。 Date *21 在晶体管混频器的

9、分析中， 我们将晶体管视为一个跨导随 本振信号变化的线性参变元件 。 因V0Vsm, 晶体管工作在线 性时变状态，所以晶体管集电 极静态电流ic(t)和跨导gm(t)均 随v0 作周期性变化。 2. 分析方法 变跨导分析法 加电压后的晶体管转移特性曲线 v0 vs Date *22 由于vsv0，可以近似认为其对器件的工作状态 变化没有影响。此时流过器件的电流为 将v0+VBB看成器件的交变工 作点，则i(t)可在其工作点 (v0+VBB)处展开为泰勒级数 由于vs的值很小，忽略二次方及其以上各项，则 时变静态电流 I0(t) 时变跨导g(t) Date *23 则混频后输出的中频电流为 其振

10、幅为 Date *24 由上式引出变频跨导gc的概念，定义为 输出的中频电流振幅Ii与输入高频信号电 压的振幅Vsm成正比。若高频信号电压振幅 Vsm按一定规律变化，则中频电流振幅Ii也按 相同的规律变化。 由实验得出： Date *25 故混频电压增益 3.混频器的增益 混频功率增益 若电路匹配，使goc=GL，则可得到最大混频功率增益 Date *26 例4.3 用晶体管3DG8D组成混频电路。已知工作点的 发射级电流IE=0.5mA，本振电压为150mV，信 号频率fs=40MHz，中频频率fi=1.5MHz，中频负 载电导GL=1mS。在工作频率时，输入电导gic= 430S,输出电导

11、goc = 10S。 试求：变频跨导gc ，变频电压增益Avc和功率增益Apc 。 (已知3DG8D的特征频率fT150MHz，rbb15) 解： Date *27 三极管混频器 优点：有变频增益 缺点：动态范围较小 组合频率干扰严重 噪声较大 存在本地辐射 二极管混频器 优点：动态范围较大 组合频率干扰少 噪声较小 不存在本地辐射 缺点：无变频增益 Date * 28 小信号时，混频时输入信号VD=Vs+V0 二极管的伏安特性可用幂级数表示： 1.平衡混频器 三、二极管平衡混频器和环型混频器 为简化分析，忽 略输出电压对二极 管的反作用，则 + + + - - - - + + - Date

12、*29 利用三角公式展开，并分类整理，可得 当vD很小时，级数可只取前四项，得 Date *30 单管输出电流中频率为：输入频率的谐波20和2s 、30和3s；输入频率及其谐波所形成的各种组合频 率0s、0 2s、20 s。 平衡混频器输出电流的频率成份为： s、 0 s、20 s、 30 i1、i2以相反方向流过输出端变压器初级，故变压 器次级负载电流 il1 = i1i2 同理可得： 故平衡混频器抑制了许多组合频率，大大减小了组 合频率的干扰。 Date *31 例5.4如图所示电路中，二极管D1和D2特性相 同，都为i=kv2,k为常数。试求输出电压vo 的表示式(v1和v2均已知)。

13、解：设流过两个二极管的电流分别为i1，i2，则 ： Date *32 2. 环形混频器 + _ Date *33Date *34 由平衡混频器得： 环型混频器输出电流的频率成份为： n0 ms 故在实际应用中，环型混频器比平衡混频器更优越。 (n和m均为奇数 ) Date * 35 MCI596构成的集成混频电路 四、模拟相乘器混频电路 Date 作业： 4-15 Date *37 1.组合频率干扰：有用信号和本振产生的组合频率干扰 混频器的输出信号中所包含的各种频率分量为： p，q为任意正整数，分别代表本 振频率和信号频率的谐波次数。 只有p=q=1对应的频率为f0-fs 的分量是所需要的中

14、频信号。 如果某些组合频率落在谐振回路的通频带内，这些 组合频率分量就和有用的中频分量一样，通过中放进 入检波器，并在检波电路中与有用信号产生差拍，这 时在接收机的输出端将产生哨叫声，形成有害的干扰 。这种干扰又称为哨声干扰。 即当 时会产生干扰哨叫。 4.4 混频器中的干扰 Date *38 2、外来干扰信号和本振产生的干扰 (1) 组合副波道干扰 如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择 性不够好，除了要接收的有用信号外，干扰信号也 会进入混频器。 当干扰频率fn与本振频率f0满足 会产生组合副波道干扰。 Date *39 (2) 副波道干扰 在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰称

15、 为副波道干扰。这种干扰主要有中频干扰( fnfi )和镜 像干扰( fn fs+2fi )。 中频干扰 干扰信号的频率等于或接近fi 时的干扰。 镜像频率干扰 外来干扰信号的频率时的干扰。 形成镜像对称关系 Date *Copyrights yaoping. All rights reserved.40 3、其他类型的干扰 (1)交叉调制(交调)干扰 产生的原因：由混频器3次方以上的非线性传输特性 产生的。 现象：当所接收电台的信号和干扰电台信号同时进入 接收机输入端时，如果接收机调谐于信号频率， 可以清楚地收到干扰电台的声音；若接收机对 接收信号频率失谐，干扰台的声音也消失。 Date *41 (2)互相调制(互调)干扰 当两个或两个以上的干扰进入到混频器的输入端时 ，它们与本振电压v0一起加到混频管的发射结。由于 器件的非线性作用，它们将产生一系列组合频率分量 。如果某些分量的频率等于或接近于中频时，就会形 成干扰，称为互调干扰。 现象：接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰 信号电台的声音；若接收机对接收信号频率失