高頻電子線路第四章(new)課件

高頻與射頻線路第四章非線性、時(shí)變參量電路

高頻電子線路第四章(new)學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握非線性電路的主要特點(diǎn)與分析方法；掌握線性時(shí)變參量電路的分析方法；掌握混頻器的工作原理；混頻器的干擾類型。

高頻電子線路第四章(new)4.1概述常用的無(wú)線電元件分類：線性元件：元件參數(shù)與通過元件的電流或施于其上的電壓無(wú)關(guān)。如，電阻、電容和空心電感等；非線性元件：元件參數(shù)與通過它的電流或施于其上的電壓有關(guān)。如，二極管、晶體管、帶磁芯的電感線圈等；時(shí)變參量元件：參數(shù)元件按照某一方式隨時(shí)間變化的線性元件。如，混頻時(shí)，可以把晶體管看成一個(gè)變跨導(dǎo)的線性參變?cè)?。在一定條件下，若元件非線性特性小到可以忽略時(shí)，則可看成線性元件。但是當(dāng)條件變化以至非線性特性占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，就應(yīng)視為非線性元件。高頻電子線路第四章(new)串聯(lián)電路線性電路時(shí)：時(shí)變線性電感電路時(shí)：非線性電感電路時(shí)：

描述線性電路、時(shí)變參量電路和非線性電路的方程式分別是常系數(shù)線性微分方程、變系數(shù)線性微分方程和非線性微分方程。

數(shù)學(xué)形式高頻電子線路第四章(new)常用電路是若干無(wú)源元件或(和)有源元件的有序聯(lián)結(jié)體。它可以分為線性與非線性兩大類。線性電路是由線性元件構(gòu)成的電路。它的輸出輸入關(guān)系用線性代數(shù)方程或線性微分方程表示。線性電路的主要特征是具有疊加性和均勻性。若：

滿足：

疊加性滿足：

均勻性滿足：

線性高頻電子線路第四章(new)非線性電路中至少包含一個(gè)非線性元件，它的輸出輸入關(guān)系用非線性函數(shù)方程或非線性微分方程表示。非線性電路不具有疊加性與均勻性。這是它與線性電路的重要區(qū)別。由于非線性電路的輸出輸入關(guān)系是非線性函數(shù)關(guān)系，當(dāng)信號(hào)通過非線性電路后，在輸出信號(hào)中將會(huì)產(chǎn)生輸入信號(hào)所沒有的頻率成分，也可能不再出現(xiàn)輸入信號(hào)中的某些頻率成分（頻譜搬移）。這是非線性電路的重要特性。

二極管電路及其伏安特性

高頻電子線路第四章(new)非線性工程上適用的近似電路分析方法：圖解法：根據(jù)非線性元件的特性曲線和輸入信號(hào)波形，通過作圖直接求出電路中的電流和電壓波形。解析法（如冪級(jí)數(shù)分析法，折線分析法）：借助非線性元件的特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式列出電路方程從而解得電路中電壓和電壓。如，二極管的伏安特性的分析。高頻電子線路第四章(new)4.2非線性元件的特性非線性元件的三個(gè)主要特征：輸出量與輸入量非線性關(guān)系：這將導(dǎo)致(直流)電阻與動(dòng)態(tài)(交流)電阻的不一致；具有頻率變換作用：混頻器正是利用了非線性元件的這個(gè)特性；不滿足疊加原理。高頻電子線路第四章(new)4.2.1輸出與輸入量的非線性關(guān)系純電阻元件屬于線性元件，滿足歐姆定律，即：vivi

（4.2.1）該直線的斜率的倒數(shù)就等于電阻值R，即：

（4.2.2）線性電阻伏安特性曲線高頻電子線路第四章(new)vi可見線性元件的靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻是一樣的

高頻電子線路第四章(new)vivi以半導(dǎo)體二極管是一個(gè)非線性電阻元件為例：半導(dǎo)體二極管伏安特性曲線

靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻大小都與所選的工作點(diǎn)有關(guān)高頻電子線路第四章(new)vi可見非線性元件的靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻是不一樣的

高頻電子線路第四章(new)4.2.2頻率變換作用

直流分量2倍頻分量設(shè)非線性電阻的伏安特性曲線為拋物線形狀：

（CMOS器件的特性）當(dāng)輸入信號(hào)為余弦波，即：

則有輸出信號(hào)：

高頻電子線路第四章(new)輸入信號(hào)頻譜輸出信號(hào)頻譜可見信號(hào)經(jīng)過非線性電路后頻率發(fā)生了變換00高頻電子線路第四章(new)4.2.3不滿足疊加原理

設(shè)非線性電阻的伏安特性曲線為拋物線形狀：

輸出為：

高頻電子線路第四章(new)4.3非線性電路分析法根據(jù)具體電路的不同，分析方法是多種多樣的，最常見也最實(shí)用的方法有2種：冪級(jí)數(shù)法

用泰勒級(jí)數(shù)將曲線在某一點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）展開成級(jí)數(shù)形式，取其中若干項(xiàng)近似。折線法

將曲線近似看成若干首尾相接的線段連接而成的折線。高頻電子線路第四章(new)4.3.1冪級(jí)數(shù)分析法非線性器件的伏安特性,可用非線性函數(shù)來表示：

其中：（4.3.1）

是靜態(tài)工作點(diǎn)電流是靜態(tài)工作點(diǎn)處電導(dǎo)，即動(dòng)態(tài)電阻的倒數(shù)高頻電子線路第四章(new)vi

非線性伏安特性曲線工程計(jì)算應(yīng)用：常常只取若干項(xiàng)，精度就足夠了。一次多項(xiàng)式（線性近似）情況：

（4.3.4）

混頻器變跨導(dǎo)分析法基礎(chǔ)高頻電子線路第四章(new)vi

非線性伏安特性曲線

二次多項(xiàng)式（拋物線近似）情況：

（4.3.5）

高頻電子線路第四章(new)冪級(jí)數(shù)分析非線性電路的頻率變換

設(shè)1：非線性電路伏安特性冪級(jí)數(shù)表示為設(shè)2：輸入信號(hào)為兩個(gè)正弦波信號(hào)疊加

混頻器工作原理則輸出為：

高頻電子線路第四章(new)3倍頻2階產(chǎn)物

（4.3.11）直流2倍頻基波3階產(chǎn)物高頻電子線路第四章(new)

典型例題：已知一非線性器件的伏安特性為：

解：帶入上式產(chǎn)生的頻率分量：直流分量、0.5kHz1kHz、1.5kHz、2kHz、2.5kHz、3kHz、3.5kHz、4kHz。高頻電子線路第四章(new)

非線性電路輸出頻譜高頻信號(hào)非線性網(wǎng)絡(luò)放大變頻線性網(wǎng)絡(luò)選頻濾波有用信號(hào)

系統(tǒng)高頻電子線路第四章(new)4.3.2折線分析法冪級(jí)數(shù)法適用于中等大小的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)振幅更大時(shí)，冪級(jí)數(shù)取的項(xiàng)數(shù)必須增多，分析難度加大，所以不再適用，此時(shí)應(yīng)采用折線分析法vBiC近似為vBiC晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線用折線近似

高頻電子線路第四章(new)此折線可以表示為:（4.3.13）折線近似

vBiC

折線法只適用大信號(hào)情況，如功率放大器和檢波器分析。詳細(xì)討論見高頻功率放大器章節(jié)。

高頻電子線路第四章(new)4.5變頻器的工作原理變頻或混頻即對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換，將其載頻(常稱為射頻)變換到某一固定的頻率上(常稱為中頻，常見為射頻和本振頻率的和差頻)，而保持原信號(hào)的特征(如調(diào)幅規(guī)律)不變。調(diào)幅波變頻波形圖射頻載波頻率1.7～6MHz本振頻率2.165～6.465MHz中頻載波頻率465kHz1、定義

高頻電子線路第四章(new)2、為什么要變頻或混頻？變頻的優(yōu)點(diǎn)：減少設(shè)備體積和成本，便于信號(hào)的接收和發(fā)射；增加信道數(shù)，提高信息容量；錯(cuò)開使用頻段，避免同頻段其他信號(hào)干擾。變頻的缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等干擾。高頻電子線路第四章(new)3、變頻器的分類按器件分：晶體管混頻器：具有一定的混頻增益；二極管混頻器：具有動(dòng)態(tài)范圍大，噪聲小；場(chǎng)效應(yīng)管混頻器：交調(diào)、互調(diào)干擾少。按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)喂芑祛l、平衡式混頻、環(huán)型混頻按中頻分：上變頻器（和頻）、下變頻器（差頻）從兩個(gè)輸入信號(hào)在時(shí)域上的處理過程分：疊加型混頻器、乘積型混頻器高頻電子線路第四章(new)4、主要性能指標(biāo)

（4.5.2）或

（4.5.3）

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。選擇性：抑制中頻信號(hào)以外的干擾的能力。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。相互關(guān)聯(lián)，綜合考慮，合理選管高頻電子線路第四章(new)5、頻譜搬移的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上不同頻率的余弦波疊加后輸入到非線性變頻電路中，會(huì)產(chǎn)生和差頻等系列新頻率成分。語(yǔ)音輸入信號(hào)頻譜載波輸入信號(hào)頻譜輸出信號(hào)頻譜設(shè)計(jì)一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)從低頻搬移到了高頻高頻電子線路第四章(new)4.6晶體(三極)管混頻器1、晶體管混頻器的電路組態(tài)對(duì)振蕩電壓來說是共射電路，輸出阻抗較大（對(duì)諧振回路影響?。?；信號(hào)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。混頻時(shí)所需本地振蕩注入功率較?。ㄟ@主要是因?yàn)楣舶l(fā)電路功率放大性能較高）；高頻電子線路第四章(new)輸入信號(hào)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?。粚?duì)于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵(lì)，因此振蕩波形好，失真小；需要較大的本振注入功率。但這一點(diǎn)不難實(shí)現(xiàn)，通常所需功率也只有幾十毫瓦，因此這種方式的混頻器在實(shí)際中應(yīng)用最多。高頻電子線路第四章(new)

高頻電子線路第四章(new)2、晶體管混頻原理：變跨導(dǎo)分析法晶體管混頻器基本電路

高頻電子線路第四章(new)

加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線

高頻電子線路第四章(new)

（4.6.1）

高頻電子線路第四章(new)

（4.6.1a）高頻電子線路第四章(new)

則混頻后輸出的中頻電流為:其振幅為:

（4.6.2）（4.6.3）

（4.6.4）高頻電子線路第四章(new)

（4.6.6）式中:

（4.6.5）

（4.6.8）

高頻電子線路第四章(new)某調(diào)幅通信機(jī)混頻器電路實(shí)際電路舉例：

調(diào)諧于ωi調(diào)諧于ωs高頻電子線路第四章(new)自激式變頻器電路

調(diào)諧于ωi調(diào)諧于ωs調(diào)諧于ω0高頻電子線路第四章(new)晶體管（三極管）混頻器的缺陷：當(dāng)輸入信號(hào)振幅比較大時(shí)，三極管混頻器轉(zhuǎn)移函數(shù)用泰勒級(jí)數(shù)展開后，必須取很多項(xiàng)，導(dǎo)致混頻后輸出信號(hào)的頻率成分太多，干擾嚴(yán)重。

4.7二極管混頻器高頻電子線路第四章(new)4.7.1二極管平衡混頻器原理性電路

高頻電子線路第四章(new)設(shè)輸入互感線圈的電壓感應(yīng)系數(shù)為1

高頻電子線路第四章(new)i1i2等效電路

（4.7.2）（4.7.3）

高頻電子線路第四章(new)

（4.7.1）高頻電子線路第四章(new)i1i2

設(shè)輸出互感線圈的電壓感應(yīng)系數(shù)為1

比晶體（三極）管混頻器產(chǎn)生的頻率成分少的很多

無(wú)直流分量高頻電子線路第四章(new)4.7.2二極管環(huán)形混頻器（雙平衡混頻器）為了進(jìn)一步抑制非線性產(chǎn)物，采用環(huán)形混頻器：環(huán)形混頻器電路高頻電子線路第四章(new)在本振電壓正半周的環(huán)形混頻器

（4.7.5）高頻電子線路第四章(new)在本振電壓負(fù)半周的環(huán)形混頻器

（4.7.6）

（4.7.8）高頻電子線路第四章(new)

故有：（4.7.9）又：

（4.7.10）

展開：（4.7.11）

高頻電子線路第四章(new)晶體（三極）管混頻器：（有源混頻器）優(yōu)點(diǎn)：有變頻增益缺點(diǎn)：1、動(dòng)態(tài)范圍較小

2、組合頻率干擾嚴(yán)重

3、噪聲較大

4、存在本地輻射二極管混頻器：（無(wú)源混頻器）優(yōu)點(diǎn)：1、動(dòng)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(diǎn)：無(wú)變頻增益高頻電子線路第四章(new)

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(gè)用于0.5~500MHz的典型環(huán)形混頻器的外形及電路示于下圖。使用時(shí)，8、9端外接信號(hào)電壓，3、4端相連，5、6端相連，然后在3，5端間加本振電壓，中頻信號(hào)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、調(diào)制器等。高頻電子線路第四章(new)4.9混頻器中的干擾干擾的主要種類組合頻率干擾和副波道干擾；交叉調(diào)制干擾（交調(diào)）；互相調(diào)制干擾（互調(diào)）；阻塞現(xiàn)象和相互混頻。高頻電子線路第四章(new)

v0(f0)v中頻(fi)非線性元件中頻濾波器4.9.1組合頻率干擾和副波道干擾情況1、有用信號(hào)和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾干擾哨聲

高頻電子線路第四章(new)即當(dāng)：

（4.9.3）產(chǎn)生干擾哨叫。例子：

高頻電子線路第四章(new)情況2、外來干擾信號(hào)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，干擾信號(hào)也會(huì)進(jìn)入混頻器。

v0(f0)v中頻(fi)非線性元件中頻濾波器

高頻電子線路第四章(new)即當(dāng)：

（4.9.5）或者：

（4.9.6）產(chǎn)生組合副波道干擾。例子：

高頻電子線路第四章(new)（2）

副波道干擾（是組合副波道干擾的特例）

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，主要有中頻干擾和鏡像干擾。中頻干擾

鏡像頻率干擾f

S

f

0

f

nfifi

1000kHz1465kHz465kHz1930kHz高頻電子線路第四章(new)4.9.2交叉調(diào)制（交調(diào)）Cross-modulation表現(xiàn)現(xiàn)象：

當(dāng)所接收電臺(tái)的信號(hào)和干擾電臺(tái)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)輸入端時(shí)，如果接收機(jī)調(diào)諧于信號(hào)頻率，可以清楚地收到干擾信號(hào)電臺(tái)的聲音，若接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)頻率失諧，干擾臺(tái)的聲音也消失。產(chǎn)生的原因：

由混頻器的3次或更高非線性項(xiàng)產(chǎn)生。若有用信號(hào)和干擾信號(hào)均為調(diào)幅波，混頻器的非線性會(huì)使有用信號(hào)的各頻率分量的幅度受干擾信號(hào)的幅度影響，其包絡(luò)發(fā)生變化。與干擾信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，只要干擾信號(hào)足夠強(qiáng)并進(jìn)入接收機(jī)前端，就可能發(fā)生交調(diào)。高頻電子線路第四章(new)4.9.3互相調(diào)制（互調(diào)）Intermod