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、時變參量電路

高頻電子線路第四章(new)學習內容掌握非線性電路的主要特點與分析方法；掌握線性時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關。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。如，二極管、晶體管、帶磁芯的電感線圈等；時變參量元件：參數(shù)元件按照某一方式隨時間變化的線性元件。如，混頻時，可以把晶體管看成一個變跨導的線性參變元件。在一定條件下，若元件非線性特性小到可以忽略時，則可看成線性元件。但是當條件變化以至非線性特性占據(jù)主導地位時，就應視為非線性元件。高頻電子線路第四章(new)串聯(lián)電路線性電路時：時變線性電感電路時：非線性電感電路時：

描述線性電路、時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)學形式高頻電子線路第四章(new)常用電路是若干無源元件或(和)有源元件的有序聯(lián)結體。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成的電路。它的輸出輸入關系用線性代數(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非線性元件，它的輸出輸入關系用非線性函數(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系是非線性函數(shù)關系，當信號通過非線性電路后，在輸出信號中將會產(chǎn)生輸入信號所沒有的頻率成分，也可能不再出現(xiàn)輸入信號中的某些頻率成分（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)學表達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主要特征：輸出量與輸入量非線性關系：這將導致(直流)電阻與動態(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)電阻與動態(tài)電阻是一樣的

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

靜態(tài)電阻與動態(tài)電阻大小都與所選的工作點有關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）當輸入信號為余弦波，即：

則有輸出信號：

高頻電子線路第四章(new)輸入信號頻譜輸出信號頻譜可見信號經(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，最常見也最實用的方法有2種：冪級數(shù)法

用泰勒級數(shù)將曲線在某一點（靜態(tài)工作點）展開成級數(shù)形式，取其中若干項近似。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)工作點電流是靜態(tài)工作點處電導，即動態(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算應用：常常只取若干項，精度就足夠了。一次多項式（線性近似）情況：

（4.3.4）

混頻器變跨導分析法基礎高頻電子線路第四章(new)vi

非線性伏安特性曲線

二次多項式（拋物線近似）情況：

（4.3.5）

高頻電子線路第四章(new)冪級數(shù)分析非線性電路的頻率變換

設1：非線性電路伏安特性冪級數(shù)表示為設2：輸入信號為兩個正弦波信號疊加

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非線性網(wǎng)絡放大變頻線性網(wǎng)絡選頻濾波有用信號

系統(tǒng)高頻電子線路第四章(new)4.3.2折線分析法冪級數(shù)法適用于中等大小的信號。當信號振幅更大時，冪級數(shù)取的項數(shù)必須增多，分析難度加大，所以不再適用，此時應采用折線分析法vBiC近似為vBiC晶體管的轉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情況，如功率放大器和檢波器分析。詳細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信號進行頻率變換，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)，而保持原信號的特征(如調幅規(guī)律)不變。調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：減少設備體積和成本，便于信號的接收和發(fā)射；增加信道數(shù)，提高信息容量；錯開使用頻段，避免同頻段其他信號干擾。變頻的缺點：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：具有動態(tài)范圍大，噪聲??；場效應管混頻器：交調、互調干擾少。按結構分：單管混頻、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）從兩個輸入信號在時域上的處理過程分：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

（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：抑制中頻信號以外的干擾的能力。非線性干擾：抑制組合頻率干擾、交調、互調干擾等干擾的能力。相互關聯(lián)，綜合考慮，合理選管高頻電子線路第四章(new)5、頻譜搬移的實現(xiàn)兩個以上不同頻率的余弦波疊加后輸入到非線性變頻電路中，會產(chǎn)生和差頻等系列新頻率成分。語音輸入信號頻譜載波輸入信號頻譜輸出信號頻譜設計一個選頻網(wǎng)絡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)對振蕩電壓來說是共射電路，輸出阻抗較大（對諧振回路影響?。?；信號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?；祛l時所需本地振蕩注入功率較?。ㄟ@主要是因為共發(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)象的可能性小；對于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵，因此振蕩波形好，失真??；需要較大的本振注入功率。但這一點不難實現(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際中應用最多。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)某調幅通信機混頻器電路實際電路舉例：

調諧于ωi調諧于ωs高頻電子線路第四章(new)自激式變頻器電路

調諧于ωi調諧于ωs調諧于ω0高頻電子線路第四章(new)晶體管（三極管）混頻器的缺陷：當輸入信號振幅比較大時，三極管混頻器轉移函數(shù)用泰勒級數(shù)展開后，必須取很多項，導致混頻后輸出信號的頻率成分太多，干擾嚴重。

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)設輸入互感線圈的電壓感應系數(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

設輸出互感線圈的電壓感應系數(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：有變頻增益缺點：1、動態(tài)范圍較小

2、組合頻率干擾嚴重

3、噪聲較大

4、存在本地輻射二極管混頻器：（無源混頻器）優(yōu)點：1、動態(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：無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，8、9端外接信號電壓，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；交叉調制干擾（交調）；互相調制干擾（互調）；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：

（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，干擾信號也會進入混頻器。

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：

（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交叉調制（交調）Cross-modulation表現(xiàn)現(xiàn)象：

當所接收電臺的信號和干擾電臺同時進入接收機輸入端時，如果接收機調諧于信號頻率，可以清楚地收到干擾信號電臺的聲音，若接收機對接收信號頻率失諧，干擾臺的聲音也消失。產(chǎn)生的原因：

由混頻器的3次或更高非線性項產(chǎn)生。若有用信號和干擾信號均為調幅波，混頻器的非線性會使有用信號的各頻率分量的幅度受干擾信號的幅度影響，其包絡發(fā)生變化。與干擾信號的頻率無關，只要干擾信號足夠強并進入接收機前端，就可能發(fā)生交調。高頻電子線路第四章(new)4.9.3互相調制（互調）Intermod