《非线性电路》PPT课件.ppt

第4章 非线性电路、时变 参量电路和变频器,4.1 概述 4.2 非线性元件的特性及分析法 4.3 线性时变参量电路分析法 4.4 变频器的工作原理 4.5 晶体管混频器 4.6 二极管混频器 4.7 混频器中的干扰,1、无线电元件的分类, 线性：元件参数与通过元件的电流或电压无关； 非线性：元件参数与通过元件的电流或电压有关； 时变线性：元件参数按一定规律随时间变化，但与通过元件的电流或电压无关。,4.1 概 述,2、分析方法, 图解法：非线性元件的特性曲线和输入信号波形相结合，作图直接画出输出信号波形； 解析法：依非线性元件特性曲线的数学表达式列回路方程，接方程求输出信号的表达式或数值。,4.1 概 述,4.2 非线性元件的特性及分析,1、非线性元件的特性, 非线性,线性电阻的伏安特性：,阻值由元件材料及其几何尺寸决定，与电流电压无关。,非线性元件的伏安特性曲线是非线性的。,非线性电阻的伏安特性：,静态电阻：,动态电阻：,与静态工作点有关。同一工作点， 不相等；不同的工作点， 各不相同。,可正可负。,1、非线性元件的特性,4.2 非线性元件的特性及分析, 频率变换作用,非线性电阻：外加电压是单一频率的交流信号，输出电流却与电压波形不同，其中包含的频率成分很丰富。,输入信号：,输出信号：,1、非线性元件的特性,4.2 非线性元件的特性及分析, 不满足叠加原理,如果输出电流与输入电压满足：,那么：,其中：,但：,1、非线性元件的特性,4.2 非线性元件的特性及分析,如果在工作点（ 点）附近， 的各阶导数都存在，则可展开成泰勒级数：,2、非线性电路分析法,输出信号与输入信号之间的关系为：,工作点处的电流,工作点处的动态电导, 幂级数分析法,4.2 非线性元件的特性及分析,分析步骤：, 确定特性曲线的近似表达式。越精密，特性曲线的工作范围越大，但级数的项数取得越多；, 确定输出表达式中各系数 在特性曲线上找出与未知系数个数相等的点，将这些点处的电压电流值带入表达式中，得一方程组，联立求解；, 将输入信号的表达式(通常为正弦函数)代入输出表达式中，用三角恒等式展开整理输入信号的傅立叶展开式，由此可以得到输出信号的各频谱成分。, 幂级数分析法,2、非线性电路分析法,输出信号中的频谱成分：, 输出信号的频谱成分为：,和 满足：, 设输入信号含有的频谱成分为 ，输出幂多项式的最高次幂为 ：,且：,输出信号中所有的组合频率都是成对出现。如： 、 等。, 幂级数分析法,2、非线性电路分析法,输入信号为大信号,非线性器件主要呈导通、截止(二极管)或饱和、截止状态(三极管)。,跨导，BC段的斜率,折线化后的截止电压, 折线分析法,2、非线性电路分析法,4.2 非线性元件的特性及分析,周期函数可展开为傅立叶级数：,输入信号：,是一个有直流偏置电压( )的余弦信号，但 不是余弦信号，而是周期性的余弦脉冲信号。,取决于 和 。,因此 也可用 和 来表示：, 折线分析法,2、非线性电路分析法,4.3 线性时变参量电路分析法,1、时变跨导电路分析,线性时变元件：通常要加两个或两个以上的信号，其中必有一个是大信号。大信号控制元件的参数，使之随大信号变化而变化，则对大信号而言是非线性元件；但对小信号而言，元件的工作范围很小，则相当于线性元件。,振幅较大的简谐振荡电压,振幅较小的输入信号，是真正的信号,在工作点 处将 展开成泰勒级数：,大信号，影响晶体管的工作状态(工作点)，则三极管的参数将随 变化而改变。(此处主要是跨导),小信号，则此时晶体管相当工作于线性状态。,BE间输入电压：,其中工作点电压：,转移特性曲线：,1、时变跨导电路分析,4.3 线性时变参量电路分析法,很小，忽略二次项以后的高次项：,和 按幂级数展开：,其中： 含有 频谱成分。,1、时变跨导电路分析,4.3 线性时变参量电路分析法,2、开关函数分析法,二极管的导通与截止由 来控制。按照二极管的小信号模型，导通时，相当一个动态的等效电阻；截止时，相当于断开。由此可画出电路的等效电路。,二极管导通,二极管截止,4.3 线性时变参量电路分析法,4.3 线性时变参量电路分析法,用开关函数代替二极管的导通和截止：,将 代入电流 的表达式中：,2、开关函数分析法,4.3 线性时变参量电路分析法,2、开关函数分析法,中包含很多频谱成分：,最关心的频率：,直流成分,3、应用,低频调制信号,那么， 和 和 ，实现了幅度调制。,那么， 或 实现了从高频到中频的变频。,4.3 线性时变参量电路分析法, 本振信号, 高频载波信号,接收的高频信号,所以：变频器=混频器+本振信号产生器,变频只改变载波频率，使之由高频变成中频，但是不改变调制规律。包括调制方式、调制参数、调制程度等。,他激式变频器(混频器)：仅实现变频，不产生本振信号。,自激式变频器(变频器)：既实现变频又产生振荡信号。,1、变频器分类,4.4 变频器的工作原理,2、变频原理,：本振频率,：高频载波频率,：中频载波频率,取差频，则中频频率降低：,取和频，则中频频率升高：,下变频器,上变频器,2、变频原理,4.4 变频器的工作原理,2、变频原理,4.4 变频器的工作原理,信号是作为载波的边频存在的，变频后依然在载波两边。,4.5 晶体管混频器,1、电路分析,振幅较大的本振信号,振幅较小的输入信号,本振信号 是一个大信号，使得晶体管工作在非线性状态；但真正的信号是小信号 ，所以图上 、 、 都可以看成线性。对于 而言，晶体管工作在线性状态。,可见随着 发生变化，各线段的斜率(跨导)将随着 的频率( )发生周期性的变化。因此晶体管对于输入信号而言是一个时变线性器件。,1、电路分析,4.5 晶体管混频器,其中： 含有 频谱成分。,若中频频率取差频：,中只有频率为 的电流分量才是所需要的，称为中频电流分量 ：,4.5 晶体管混频器,1、电路分析,由于输入是两个信号，使得晶体管的工作点随大信号在改变。同 Y参数模型。,4.5 晶体管混频器,2、性能指标, 变频跨导, 变频电压增益,最大功率传输时( )：,2、性能指标,4.5 晶体管混频器,对小信号而言，其Y参数：, 变频功率增益,4.6 二极管混频器,1、平衡混频器,晶体管混频器的输出信号：,二极管混频器输出的组合频率成分比晶体管混频器的少， 意味着产生的干扰信号要少。,4.6 二极管混频器,1、平衡混频器,二极管混频器的输出信号：,2、环形混频器（双平衡混频器）,由两个平衡混频器构成： 和 。 与上述的分析一样， 与 正好相反。,4.6 二极管混频器,2、环形混频器（双平衡混频器）,4.6 二极管混频器,2、环形混频器（双平衡混频器）,4.6 二极管混频器,1、组合频率干扰(干扰哨声),混频时信号与本振产生的组合频率,当 和 输入非线性器件后，输出的频率为两者的组合频率 ：,当 时，此组合频率将顺利通过中频放大器加到检波器的输入端，经与 差拍检波后，得到一个低频差拍信号( ),但不是真正的信号，听到的是一种哨叫声。,4.7 混频器中的干扰,因为 可以取不同值，理论上产生干扰哨声的 有无穷多个。但接收机的接收频段都是有限的，只有落在接收频段内的 才能传输干扰哨声。当 增加时，输出信号的振幅减小，一般当 都较小时产生的干扰哨声大。,当中频频率一定时，只要信号频率接近上式的计算数值，就可能产生干扰哨声。,1、组合频率干扰(干扰哨声),4.7 混频器中的干扰,该干扰信号不再与本振混频，直接通过混频器（相当于中频放大器），具有比有用信号更强的传输能力。,2、副波道干扰, 中频干扰,4.7 混频器中的干扰,若混频器前端输入回路选择性不好，干扰 将进入混频器与本振 混频产生以下组合频率：,只有当 较小时对应的 才会形成较强的副波道干扰。,当由高频变换到中频时，该干扰信号所通过的副波道具有与有用波道相同的变换能力。,公式改写为：, 镜象频率干扰,当 一定时，接收机可在哪些信号频率 上收听到该干扰信号的声音。,与 关于 成镜象。,4.7 混频器中的干扰,2、副波道干扰,3、交叉调制（交调）,当接收机前端电路选择性不好，有用信号和干扰信号同时加到接收机输入端，与本振混频得到的中频电压中，有这么一项：干扰信号的包络转移到了有用信号的包络上。,混频器转移特性幂级数表示：,有用信号,干扰信号,本振电压,输入端的信号：,4.7 混频器中的干扰,由4次方项及更高偶次方项产生。本振占一阶，常称三阶交调、五阶交调。,中可产生下列一项中频电流：,与 调制规律相同，但其载频为中频；同