通信電子線路 高如云 第1章 緒論

1、第第1 1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論1.1 電子線路的分類電子線路的分類1.2 線性與非線性電子線路線性與非線性電子線路1.3 非線性電子線路的應用非線性電子線路的應用 1.4 本課程的要求本課程的要求第第1 1章章 緒論緒論1.1 電子線路的分類電子線路的分類 包含有源器件的網絡統(tǒng)稱為電子線路。電子線路的分類方法很多，按照工作頻率工作頻率可分成低頻電子線路、高頻電子線路和微波電子線路。低頻通常指頻率低于300kHz的范圍，語音的電信號、生物電信號、地震電信號、機械振動的電信號等都屬于這個范圍。 第第1 1章章 緒論緒論 所有在這個頻率范圍的電信號的產生、放大、變換、處理都屬于低頻電子

2、線路的范疇。高頻通常指頻率在300kHz300MHz的范圍，廣播、電視、短波通信、移動通信等無線電設備都工作在這個頻率范圍之內。微波泛指頻率高于300MHz以上的范圍，衛(wèi)星電視、微波中繼通信、雷達、導航等設備都工作在這個頻率范圍(見附錄一)。第第1 1章章 緒論緒論 工作頻率不同，對有源器件電性能的要求、電子線路的工藝結構都不盡相同。隨著工作頻率的提高，對有源器件的上限工作頻率的要求也隨之提高；器件本身的分布參量，如晶體管的極間電容、電極的引線電感、載流子擴散漂移的時間等因素的影響都會逐漸地明顯起來，以至變成必須考慮的主要因素。 第第1 1章章 緒論緒論 按照流通的信號形式，電子線路又可分成模

3、擬電子線路和數字電子線路。所有完成模擬信號產生、放大、變換、處理和傳輸的電子線路統(tǒng)稱為模擬電子線路。所有完成數字信號產生、放大、變換、處理及傳輸的電子線路統(tǒng)稱為數字電子線路。模擬電子線路傳送的信號直觀形象，但電路的抗干擾性能差，不便與計算機直接配合。數字電子線路傳送的信號是時間上和取值上都離散的信號。 第第1 1章章 緒論緒論 電子線路的第三種分類方法是根據集成度的高低分成分立電路和集成電路。隨著微電子技術的發(fā)展，電子線路的集成度越來越高，集成電路已成為電子線路的方向。 集成電路與分立電路相比，集成電路具有體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高、維修使用方便等優(yōu)點。但是，由于頻率響應和功率容量的限制，目前

4、高頻、大功率電子線路還是以分立為主。 第第1 1章章 緒論緒論 電子線路的第四種分類方法是以電子線路中所包含的元件性質來分類的。由線性元件組成的電子線路叫線性電子線路，含有非線性元件的電子線路叫非線性電子線路。由恒定參數元件組成的電子線路叫恒定參數電子線路；包含有時變參數元件的電子線路叫參變電子線路或時變電路。線性電路是用線性代數方程、線性微分方程或線性差分方程來描述的。 第第1 1章章 緒論緒論 非線性電路是用非線性代數方程、非線性微分方程、非線性差分方程來描述的。描述恒定參數電路的方程式中的各項系數是恒定不變的，描述參變電路的方程式中的系數是變化的。第第1 1章章 緒論緒論1.2 線性與非

5、線性電子線路線性與非線性電子線路 由于本書研究的主要是非線性電子線路，所以必須對線性電子線路和非線性電子線路有一個正確的認識。線性電子線路具有線性特性，也就是它具有疊加性和均勻性，適用疊加定理。非線性電子線路與線性電子線路有五點不同。第第1 1章章 緒論緒論 第一，非線性電子線路不具有疊加性和均勻性，不適用疊加定理。 第二，在穩(wěn)定狀態(tài)之下，非線性電子線路輸出變量中包含有輸入變量中不具有的頻率成分，即信號通過非線性電子線路以后可以產生出新的頻率成分。仍以平方律關系為例，當x=sin1t時， y=a/2-(a/2)cos21t。輸入信號中僅有1頻率分量，而輸出信號中包含有直流和21的頻率分量，這些

6、分量都是通過非線性電路產生的。 第第1 1章章 緒論緒論 第三，處于非線性狀態(tài)工作的有源器件，如晶體三極管、場效應管、運算放大器等，它們的輸出響應與器件工作點的選取和輸入信號的大小有關。這一點，可以用圖1.1說明。圖1.1示出了晶體三極管的轉移特性。圖1.1(a)中，靜態(tài)工作點取在放大區(qū)，當輸入信號很小時，可近似認為是線性工作。集電極電流的變化iC與輸入信號ui近似為線性關系。隨著輸入信號幅度的增大，由于器件的非線性，集電極電流開始出現失真，以至變?yōu)橛嘞颐}沖形狀。圖1.1(b)示出當靜態(tài)偏置電壓小于零，晶體管靜態(tài)處于截止狀態(tài)時，隨著輸入信號的增加，集電極電流開始為零，以后變?yōu)橛嘞颐}沖的形狀。第

7、第1 1章章 緒論緒論 圖1.1 非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點 和輸入信號大小的關系 (a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū) iCQ00 tUBEQiCuBE0iCuBEui Uimcost t(a)第第1 1章章 緒論緒論 圖1.1 非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點 和輸入信號大小的關系 (a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū) Q0iCuBEuBE00iC t tui Uimcost(b)第第1 1章章 緒論緒論 第四，描述非線性器件特性的參量有三種：一是靜態(tài)參量，也稱為直流參量；二是動態(tài)參量，也稱為交流參量；三是折合參量，也稱

8、為平均參量。用這三種參量綜合起來描述一個非線性器件的工作狀態(tài)。如晶體三極管在非線性狀態(tài)下工作，它的跨導要用直流跨導、交流跨導和平均跨導三個參量來表述。所謂直流跨導就是靜態(tài)工作點的電流與靜態(tài)工作點的電壓之比。如圖1.2(a)所示，直流跨導 0CQBEQIgU(1.21)第第1 1章章 緒論緒論 交流跨導是在靜態(tài)工作點處的電流增量與電壓增量之比。如圖1.2(b)所示，交流跨導 CmQBEigu(1.22) 當輸入信號ui=Uimcost，晶體管的集電極電流為余弦脈沖時(見圖1.1(b)，利用傅立葉級數展開012coscos2CmmiIItIt第第1 1章章 緒論緒論 圖1.2 直流跨導與交流跨導(

9、a)直流跨導示意圖；(b)交流跨導示意圖 (a)(b)iCICQQUBEQuBEtan g00UBEQ0uBEuBEiCQtan gmiCICQ第第1 1章章 緒論緒論 其中包含有直流、基波和各次諧波分量。取其中一個諧波分量的幅值Inm與輸入電壓幅值Uim相比，得到的比值gcn就是第n次諧波的平均跨導。如二次諧波的平均跨導為22mcimIgU(1.23)第第1 1章章 緒論緒論 第五，非線性電子線路的數學描述是非線性方程。非線性微分方程的精確求解是一個難題，時至今日，二階以上的非線性微分方程還沒有實用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本書也將采用這種方法。隨著計算技術的發(fā)展，二階以下的

10、非線性微分方程可以采用計算機數值解法，這種方法將會逐步走向實用。第第1 1章章 緒論緒論1.3 非線性電子線路的應用非線性電子線路的應用 非線性電子線路廣泛應用于無線電技術的各個領域，在通信方面的應用尤為突出。通信的任務是傳送信息。信息包括語言、音樂、文字、圖像、數據等各種信號。通信系統(tǒng)由發(fā)送設備、信道、接收設備組成，如圖1.3所示。 第第1 1章章 緒論緒論圖1.3 通信系統(tǒng)的框圖 發(fā) 端用 戶發(fā) 送設 備信 道接 收設 備收 端用 戶第第1 1章章 緒論緒論 信道是傳送信息的通道。無線通信的信道是大氣空間；有線通信的信道是傳輸線，如電線、電纜、光纜等。通信的種類很多，如人們生活中常見的電話

11、、電報、電視、廣播、傳真、衛(wèi)星通信、載波電話、計算機通信等等。這些通信中應用的電子線路種類很多。圖1.4示出了無線廣播發(fā)送與接收的框圖，其中，圖1.4(a)示出了無線廣播發(fā)射機的框圖。 第第1 1章章 緒論緒論 圖1.4(b)示出了接收機的框圖，天線中感生的無線電信號，經過輸入回路的選擇，取出要收聽的已調波信號，經過高頻放大器放大，把信號送入到混頻器中。 第第1 1章章 緒論緒論(a)主振蕩器倍頻放大調制器功放f0nf0 fpfp音頻放大聲音拾音器F圖1.4 無線廣播發(fā)送設備與接收設備框圖 (a)發(fā)送設備；(b)接收設備 第第1 1章章 緒論緒論圖1.4 無線廣播發(fā)送設備與接收設備框圖 (a)

12、發(fā)送設備；(b)接收設備 (b)輸入回路高頻放大器混頻中頻放大器檢波fsfi fl fs本地振蕩器揚聲器fsfsfiFf1音頻放大第第1 1章章 緒論緒論1.4 本課程的要求本課程的要求 首先，本教材編寫的出發(fā)點是使讀者在掌握典型非線性電子線路原理的基礎上，學會非線性電子線路的分析方法。各種電子線路歸結起來都是有源器件與無源網絡的結合，因此，對電子線路的研究就要從有源器件的特性和無源網絡的傳輸特性兩個方面入手。 第第1 1章章 緒論緒論 各種各樣的電子線路的不同之處就在于這兩個方面特性的不同，相互結合的條件不同。學習電子線路既要正確認識各種電路的共性，又要善于抓住其個性,也就是要善于正確認識各

13、種電子線路的應用條件、特點。為此，必須學會辯證的思維方法，善于全面地、客觀地認識問題。第第1 1章章 緒論緒論 第二，非線性電子線路目前采用的多是工程近似分析方法，近似都是有條件約束的。掌握工程近似方法，必須學會邏輯推理，善于應用所學的知識進行推理。在未能進行嚴格的數學運算證明之前，能夠運用所學理論進行推理，預知可能的正確結果，這點對工程技術人員來說也是一種基本能力。學會推理，分清主次，才能正確近似。 第第1 1章章 緒論緒論 第三，非線性電路較之線性電路要復雜，它所涉及的知識面要廣，因此要注意提高知識的綜合能力。電子線路的研究，概括起來就是信號通過有源網絡的傳輸與變換。這樣，在對非線性電路本身特性研究的同時，必須對信號的流通、變換有正確的認識。要做到這點，必須善于把電路分析、信號與系統(tǒng)、電子器件、