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(lèi)電子線路的分類(lèi)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(yīng)用非線性電子線路的應(yīng)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(lèi)電子線路的分類(lèi) 包含有源器件的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為電子線路。電子線路的分類(lèi)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(yǔ)音的電信號(hào)、生物電信號(hào)、地震電信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)的電信號(hào)等都屬于這個(gè)范圍。 第第1 1章章 緒論緒論 所有在這個(gè)頻率范圍的電信號(hào)的產(chǎn)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(dòng)通信等無(wú)線電設(shè)備都工作在這個(gè)頻率范圍之內(nèi)。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(dá)、導(dǎo)航等設(shè)備都工作在這個(gè)頻率范圍(見(jiàn)附錄一)。第第1 1章章 緒論緒論 工作頻率不同，對(duì)有源器件電性能的要求、電子線路的工藝結(jié)構(gòu)都不盡相同。隨著工作頻率的提高，對(duì)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(kuò)散漂移的時(shí)間等因素的影響都會(huì)逐漸地明顯起來(lái)，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(hào)形式，電子線路又可分成模

3、擬電子線路和數(shù)字電子線路。所有完成模擬信號(hào)產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為模擬電子線路。所有完成數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生、放大、變換、處理及傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為數(shù)字電子線路。模擬電子線路傳送的信號(hào)直觀形象，但電路的抗干擾性能差，不便與計(jì)算機(jī)直接配合。數(shù)字電子線路傳送的信號(hào)是時(shí)間上和取值上都離散的信號(hào)。 第第1 1章章 緒論緒論 電子線路的第三種分類(lèi)方法是根據(jù)集成度的高低分成分立電路和集成電路。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子線路的集成度越來(lái)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(diǎn)。但是，由于頻率響應(yīng)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(lèi)方法是以電子線路中所包含的元件性質(zhì)來(lái)分類(lèi)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(shù)元件組成的電子線路叫恒定參數(shù)電子線路；包含有時(shí)變參數(shù)元件的電子線路叫參變電子線路或時(shí)變電路。線性電路是用線性代數(shù)方程、線性微分方程或線性差分方程來(lái)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(shù)方程、非線性微分方程、非線性差分方程來(lái)描述的。描述恒定參數(shù)電路的方程式中的各項(xiàng)系數(shù)是恒定不變的，描述參變電路的方程式中的系數(shù)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(shū)研究的主要是非線性電子線路，所以必須對(duì)線性電子線路和非線性電子線路有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。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(diǎn)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(hào)通過(guò)非線性電子線路以后可以產(chǎn)生出新的頻率成分。仍以平方律關(guān)系為例，當(dāng)x=sin1t時(shí)， y=a/2-(a/2)cos21t。輸入信號(hào)中僅有1頻率分量，而輸出信號(hào)中包含有直流和21的頻率分量，這些

6、分量都是通過(guò)非線性電路產(chǎn)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(chǎng)效應(yīng)管、運(yùn)算放大器等，它們的輸出響應(yīng)與器件工作點(diǎn)的選取和輸入信號(hào)的大小有關(guān)。這一點(diǎn)，可以用圖1.1說(shuō)明。圖1.1示出了晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性。圖1.1(a)中，靜態(tài)工作點(diǎn)取在放大區(qū)，當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，可近似認(rèn)為是線性工作。集電極電流的變化iC與輸入信號(hào)ui近似為線性關(guān)系。隨著輸入信號(hào)幅度的增大，由于器件的非線性，集電極電流開(kāi)始出現(xiàn)失真，以至變?yōu)橛嘞颐}沖形狀。圖1.1(b)示出當(dāng)靜態(tài)偏置電壓小于零，晶體管靜態(tài)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，隨著輸入信號(hào)的增加，集電極電流開(kāi)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(diǎn) 和輸入信號(hào)大小的關(guān)系 (a)靜態(tài)工作點(diǎn)處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn) 和輸入信號(hào)大小的關(guān)系 (a)靜態(tài)工作點(diǎn)處于放大區(qū)； (b)靜態(tài)工作點(diǎn)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(dòng)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(lái)描述一個(gè)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(dǎo)要用直流跨導(dǎo)、交流跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)三個(gè)參量來(lái)表述。所謂直流跨導(dǎo)就是靜態(tài)工作點(diǎn)的電流與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓之比。如圖1.2(a)所示，直流跨導(dǎo) 0CQBEQIgU(1.21)第第1 1章章 緒論緒論 交流跨導(dǎo)是在靜態(tài)工作點(diǎn)處的電流增量與電壓增量之比。如圖1.2(b)所示，交流跨導(dǎo) CmQBEigu(1.22) 當(dāng)輸入信號(hào)ui=Uimcost，晶體管的集電極電流為余弦脈沖時(shí)(見(jiàn)圖1.1(b)，利用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)012coscos2CmmiIItIt第第1 1章章 緒論緒論 圖1.2 直流跨導(dǎo)與交流跨導(dǎo)(

9、a)直流跨導(dǎo)示意圖；(b)交流跨導(dǎo)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(gè)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(dǎo)。如二次諧波的平均跨導(dǎo)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(shù)學(xué)描述是非線性方程。非線性微分方程的精確求解是一個(gè)難題，時(shí)至今日，二階以上的非線性微分方程還沒(méi)有實(shí)用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本書(shū)也將采用這種方法。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，二階以下的

10、非線性微分方程可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值解法，這種方法將會(huì)逐步走向?qū)嵱?。第? 1章章 緒論緒論1.3 非線性電子線路的應(yīng)用非線性電子線路的應(yīng)用 非線性電子線路廣泛應(yīng)用于無(wú)線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，在通信方面的應(yīng)用尤為突出。通信的任務(wù)是傳送信息。信息包括語(yǔ)言、音樂(lè)、文字、圖像、數(shù)據(jù)等各種信號(hào)。通信系統(tǒng)由發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)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(shè) 備信 道接 收設(shè) 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(wú)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(lèi)很多，如人們生活中常見(jiàn)的電話

11、、電報(bào)、電視、廣播、傳真、衛(wèi)星通信、載波電話、計(jì)算機(jī)通信等等。這些通信中應(yīng)用的電子線路種類(lèi)很多。圖1.4示出了無(wú)線廣播發(fā)送與接收的框圖，其中，圖1.4(a)示出了無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)的框圖。 第第1 1章章 緒論緒論 圖1.4(b)示出了接收機(jī)的框圖，天線中感生的無(wú)線電信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入回路的選擇，取出要收聽(tīng)的已調(diào)波信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻放大器放大，把信號(hào)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(diào)制器功放f0nf0 fpfp音頻放大聲音拾音器F圖1.4 無(wú)線廣播發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備框圖 (a)發(fā)送設(shè)備；(b)接收設(shè)備 第第1 1章章 緒論緒論圖1.4 無(wú)線廣播發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備框圖 (a)

12、發(fā)送設(shè)備；(b)接收設(shè)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(yáng)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(xiě)的出發(fā)點(diǎn)是使讀者在掌握典型非線性電子線路原理的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)非線性電子線路的分析方法。各種電子線路歸結(jié)起來(lái)都是有源器件與無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，因此，對(duì)電子線路的研究就要從有源器件的特性和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性兩個(gè)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(gè)方面特性的不同，相互結(jié)合的條件不同。學(xué)習(xí)電子線路既要正確認(rèn)識(shí)各種電路的共性，又要善于抓住其個(gè)性,也就是要善于正確認(rèn)識(shí)各

13、種電子線路的應(yīng)用條件、特點(diǎn)。為此，必須學(xué)會(huì)辯證的思維方法，善于全面地、客觀地認(rèn)識(shí)問(wèn)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(xué)會(huì)邏輯推理，善于應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行推理。在未能進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運(yùn)算證明之前，能夠運(yùn)用所學(xué)理論進(jìn)行推理，預(yù)知可能的正確結(jié)果，這點(diǎn)對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也是一種基本能力。學(xué)會(huì)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(fù)雜，它所涉及的知識(shí)面要廣，因此要注意提高知識(shí)的綜合能力。電子線路的研究，概括起來(lái)就是信號(hào)通過(guò)有源網(wǎng)絡(luò)的傳輸與變換。這樣，在對(duì)非線性電路本身特性研究的同時(shí)，必須對(duì)信號(hào)的流通、變換有正確的認(rèn)識(shí)。要做到這點(diǎn)，必須善于把電路分析、信號(hào)與系統(tǒng)、電子器件、