高频电子线路第五章.ppt

5 非线性电路、时变参量电路和变频器,2、掌握线性时变参量电路分析法。,4、了解各种干扰，特别是混频器中所产生地各种干扰。,3、掌握混频器的工作原理。,1、掌握非线性电路地主要特点与分析方法。,5.1 概述,无线电元件,线性元件,时变参量元件,非线性元件,：元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压无关。,：元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压有关。,：元件参数按照一定规律随时间变化。,图5.1.1 串联电路,线性电路时,时变线性电感电路时,非线性电感电路时,描述线性电路、时变参量电路和非线性电路的方程式分别是常系数线性微分方程、变系数线性微分方程和非线性微分方程。,5.1 概述,分析方法:图解法和解析法两类。,5.1 概述,图解法: 根据非线性元件的特性曲线和输入信号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形。,解析法: 借助于非线性元件特性曲线的数学表示式列出电路方程，从而解得电路中的电流和电压。,5.2 非线性元件的特性,图 5.2.1 线性电阻的伏安 特性曲线,图 5.2.2 半导体二极管的伏安 特性曲线,与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是直线。,一、非线性元件的工作特性,图 5.2.4 线性电阻上的电压 与电流波形,图 5.2.5 正弦电压作用于二极管 产生非正弦周期电流,输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。电流中包含电压中没有的频率成分。,二、非线性元件的频率变换作用,传输特性:,设：,直流分量；,基波分量和谐波分量：,组合频率分量：,“非线性”具有频率变换作用。,三、非线性电路不满足叠加原理,三、非线性电路不满足叠加原理,传输特性 :,设：,则：,叠加原理：,5.3 非线性电路分析法,常用的非线性元件的特性曲线可表示为,式中a0，a1， ，an为各次方项的系数，它们由下列通式表示,i = a0+a1v+a2v2+a3v3+ +anvn+,上述特性曲线可用幂级数表示为,一、幂级数分析法,若函数i=f(v)在工作点附近的各阶导数存在，可以在工作点附近展开为幂级数，即泰勒级数。,工作点Q1:,工作点Q2:,在曲线上选择一个点代入方程，求解b2,从频域考察非线性能够揭示非线性的频率变换作用，因此，选择如下信号作为幂级数的输入电压。,将和项展开，可得,i = a0+a1v+a2v2+a3v3+ +anvn+,p + q n,n最高次数为3的多项式的频谱结构图,图 5.3.3 晶体三极管的转移 特性曲线用折线近似,信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换。,二、折线分析法,图 5.3.3 折线法分析非线性电路,5.4 线性时变参量电路分析法,线性时变电路：指电路元件的参数按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。,一、时变跨导电路分析,的情况下，工作点电压为：,将集电极电流用泰勒级数在 点展开,振幅较大的振荡电压与幅度较小的任意形式电压信号同时作用于调谐放大器的非线性器件的输入端。,若vs足够小，可以忽略上式中vs的二次方及其以上各次方项，将电压代人上式，得：,当两个信号同时作用于一个非线性器件，其中一个振幅很小，处于线性工作状态，另一个为大信号工作状态时，可以使这一非线性系统等效为线性时变系统。,图 5.4.2 晶体三极管差分对模拟乘法器原理电路,二、模拟乘法器电路分析,图 5.4.3 折线归一化电流与值的关系,只有两个输入电压幅度较小，晶体管处于线性区时，乘法器才呈现理想特性。,图 5.4.6 大小两个信号同时作用于非线性元件时 的原理性电路,四、开关函数分析法,图 5.4.7 开关的控制信号及其开关函数,5.5 变频器的工作原理,在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从fs变换为固定fi的过程称为变频或混频。,（以调幅为例 ）,在接收机中， fi称为中频。一般其值为,其中fo是本地振荡频率。,超外差式接收机,1.定义,举例,经过混频器变频后，输出频率为,混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。,图 5.4.2 变频前后的频谱图,2.混频的实质,线性频率变换,频谱搬移,设：,3.混频器的性能指标,A.变频(混频)增益：,混频器输出中频电压Vim与输入信号电压Vsm的幅值之比。,B.噪声系数：,高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。,C.选择性：,抑制中频以外的信号的干扰的能力。,D.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。,5.6 晶体管混频器,1.电路,将集电极电流用泰勒级数展开,时变电导,v0,vs,中频输出电流:,其振幅:,2.变频跨导,输出的中频电流振幅与输入的高频信号电压振幅之比。,3.跨导与本振的关系,图 5.6.3 混频管跨导随本振电压V变化,4.变频增益,图 5.6.1 晶体管混频器的电路组态,5.电路组态,6.实际电路举例（图 5.6.5 某调幅通信机混频器电路）,图 5.6.6 自激式变频器电路,7.混频特点,优点：有变频增益,缺点：1）动态范围较小,2）组合频率干扰严重,3）噪声较大,4）存在本地辐射,5.7 二极管混频器,一、二极管平衡混频器,如果V0m Vsm ,D1和D2工作于开关状态,开关函数为S(t),可得:,二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少。同时，在输入端没有本振角频率0及其谐波分量的电压。,二、二极管环形混频器,图 5.7.2 二极管环形混频器,图 5.7.3 在本振电压正半周的环形混频器,图 5.7.4 在本振电压负半周的环形混频器,提供混频增益的同时，进一步减小输出信号频率 成分。,5.8 差分对模拟乘法器,图 5.8.1 差分对混频器,图 5.8.2 模拟乘法器混频器,5.9 混频器中的干扰,5.9.2 交叉调制(交调),5.9.3 互相调制(互调),5.9.4 阻塞现象与相互混频,5.9.1 组合频率干扰(干扰哨声) 和副波道干扰,5.9.5 克服干扰的措施,1. 有用信号和本振产生的组合频率干扰 哨叫干扰,现象：当接收机接收某一电台音频信号时，除了能听到有用信号外，还同时能听到音频的哨叫声。,F为音频,p + q n,一、组合频率干扰(干扰哨声)和副波道干扰,当中频一定时，只要信号频率接近上式的值，就可能产生干扰哨叫声。,（以调幅为例 ）,哨叫干扰：将与有用信号叠加，并同时被中频放大器放大，然后检波输出。,检波器除了输出有用信号的解调信号外，还伴有一个频率为F的音频信号，这就形成了哨叫干扰。,举例：AM收音机有效波段为5351605kHz，它的中频频率为465kHz。,无哨叫干扰,在中频放大器的通频带宽度为9kHz，输入信号频率在925.5 934.5kHz的范围内，就将产生pl，q2的哨叫干扰。,一次项：,三次项：,考虑只有以下两式可能成立：,2. 干扰信号和本振产生的副波道干扰,原因：当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，在通频带以外的电台信号也有可能进入混频器的输入端而形成干扰。,这时，频率为fn的干扰信号便顺利进入中频放大器，经检波后使可听到这一干扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道对有用信号形成的干扰，所以称为副波道干扰，又称寄生通道干扰。,1）中频干扰,一次项：,由于混频器对中频信号具有良好的放大性能，传送至中频放大器的中频干扰信号有可能比有用信号更强。,2）镜像干扰,二次项：,这种干扰对于混频器和中频放大器来说，其传输能力与有用信号完全相同，所以它将顺利地通过中频放大器经检波而造成严重的干扰。,干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰,现象：当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制信号听得清楚，而当接收机对有用信号频率失谐时，干扰电台调制信号的可听度减弱，并随着有用信号的消失而完全消失，换句话说，好象干扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。,二、交叉调制(交调),成因: 若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非理想相乘特性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包迹发生变化。,分析表明，非理想相乘特性的四次项中所含的v0 vs vn2项将产生寄生中频信号，,三、互相调制（互调）,成因：在输入有用信号的同时，有两个干扰信号vn1(t)和vn2(t)也作用于混频器输入端,使混频器的输入端同时作用了包括本机振荡共4个输入信号，这两个干扰信号与本机振荡信号的组合就有可能产生两个干扰信号间的互相调制，从而产生寄生中频分量。,1.阻塞现象,当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于输入电路抑制不良，会使前端电路内的放大器或混频器工作于严重的非线性区域，甚至完全破坏晶体管的工作状态，使输出信噪比大大下降。这就是强信号阻塞现象。,信号过强时，甚至可能导致晶体管的结被击穿，晶体管的正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象。,四、阻塞现象与相互混频,2. 相互混频,因为这时是将本振源的边带噪声去调制干扰信号（较强），故称为噪声调制。这时干扰信号作为噪声调制中的载频，本振源中的边带噪声（较弱）当作输入信号，正好与原来的混频位置颠倒，所以又称为倒易混频。,图 5.9.1 倒易混频示意图,(1)提高混频级前端电路(天线回路和高放)的选择性。,(2)合理地选择中频，能有效地减小组合频率干扰。,(3)合理地选择混频管的静态工作点。,(4)采用各种平衡电路。,五、克服干扰的措施,