高频电子线路第四章(new)ppt课件

高频与射频线路 第四章非线性 时变参量电路和变频器 学习内容 掌握非线性电路的主要特点与分析方法 掌握线性时变参量电路的分析方法 掌握混频器的工作原理 混频器的干扰类型 4 1概述 常用的无线电元件分类 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 如 电阻 电容和空心电感等 非线性元件 元件参数与通过它的电流或施于其上的电压有关 如 二极管 晶体管 带磁芯的电感线圈等 时变参量元件 参数元件按照某一方式随时间变化的线性元件 如 混频时 可以把晶体管看成一个变跨导的线性参变元件 在一定条件下 若元件非线性特性小到可以忽略时 则可看成线性元件 但是当条件变化以至非线性特性占据主导地位时 就应视为非线性元件 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 数学形式 常用电路是若干无源元件或 和 有源元件的有序联结体 它可以分为线性与非线性两大类 线性电路是由线性元件构成的电路 它的输出输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示 线性电路的主要特征是具有叠加性和均匀性 若 满足 叠加性 满足 均匀性 满足 线性 非线性电路中至少包含一个非线性元件 它的输出输入关系用非线性函数方程或非线性微分方程表示 非线性电路不具有叠加性与均匀性 这是它与线性电路的重要区别 由于非线性电路的输出输入关系是非线性函数关系 当信号通过非线性电路后 在输出信号中将会产生输入信号所没有的频率成分 也可能不再出现输入信号中的某些频率成分 频谱搬移 这是非线性电路的重要特性 二极管电路及其伏安特性 非线性工程上适用的近似电路分析方法 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 如幂级数分析法 折线分析法 借助非线性元件的特性曲线的数学表达式列出电路方程从而解得电路中电压和电压 如 二极管的伏安特性的分析 4 2非线性元件的特性 非线性元件的三个主要特征 输出量与输入量非线性关系 这将导致 直流 电阻与动态 交流 电阻的不一致 具有频率变换作用 混频器正是利用了非线性元件的这个特性 不满足叠加原理 4 2 1输出与输入量的非线性关系 纯电阻元件属于线性元件 满足欧姆定律 即 i 4 2 1 该直线的斜率的倒数就等于电阻值R 即 4 2 2 线性电阻伏安特性曲线 可见线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的 i 以半导体二极管是一个非线性电阻元件为例 半导体二极管伏安特性曲线 静态电阻与动态电阻大小都与所选的工作点有关 可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的 4 2 2频率变换作用 直流分量 2倍频分量 设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状 CMOS器件的特性 当输入信号为余弦波 即 则有输出信号 输入信号频谱 输出信号频谱 可见信号经过非线性电路后频率发生了变换 0 0 4 2 3不满足叠加原理 设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状 输出为 4 3非线性电路分析法 根据具体电路的不同 分析方法是多种多样的 最常见也最实用的方法有2种 幂级数法用泰勒级数将曲线在某一点 静态工作点 展开成级数形式 取其中若干项近似 折线法将曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成的折线 4 3 1幂级数分析法 非线性器件的伏安特性 可用非线性函数来表示 其中 4 3 1 是静态工作点电流 是静态工作点处电导 即动态电阻的倒数 非线性伏安特性曲线 工程计算应用 常常只取若干项 精度就足够了 一次多项式 线性近似 情况 4 3 4 混频器变跨导分析法基础 非线性伏安特性曲线 二次多项式 抛物线近似 情况 4 3 5 幂级数分析非线性电路的频率变换 设1 非线性电路伏安特性幂级数表示为 设2 输入信号为两个正弦波信号叠加 混频器工作原理 则输出为 3倍频 2阶产物 4 3 11 直流 2倍频 基波 3阶产物 典型例题 已知一非线性器件的伏安特性为 解 带入上式产生的频率分量 直流分量 0 5kHz1kHz 1 5kHz 2kHz 2 5kHz 3kHz 3 5kHz 4kHz 非线性电路输出频谱 高频信号 非线性网络 放大 变频 线性网络 选频 滤波 有用信号 系统 4 3 2折线分析法 幂级数法适用于中等大小的信号 当信号振幅更大时 幂级数取的项数必须增多 分析难度加大 所以不再适用 此时应采用折线分析法 vB 近似为 晶体管的转移特性曲线用折线近似 此折线可以表示为 4 3 13 折线近似 折线法只适用大信号情况 如功率放大器和检波器分析 详细讨论见高频功率放大器章节 4 5变频器的工作原理 变频或混频即对信号进行频率变换 将其载频 常称为射频 变换到某一固定的频率上 常称为中频 常见为射频和本振频率的和差频 而保持原信号的特征 如调幅规律 不变 调幅波变频波形图 射频载波频率1 7 6MHz 本振频率2 165 6 465MHz 中频载波频率465kHz 1 定义 2 为什么要变频或混频 变频的优点 减少设备体积和成本 便于信号的接收和发射 增加信道数 提高信息容量 错开使用频段 避免同频段其他信号干扰 变频的缺点 容易产生镜像干扰 中频干扰等干扰 3 变频器的分类 按器件分 晶体管混频器 具有一定的混频增益 二极管混频器 具有动态范围大 噪声小 场效应管混频器 交调 互调干扰少 按结构分 单管混频 平衡式混频 环型混频 按中频分 上变频器 和频 下变频器 差频 从两个输入信号在时域上的处理过程分 叠加型混频器 乘积型混频器 4 主要性能指标 4 5 2 或 4 5 3 噪声系数 高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值 选择性 抑制中频信号以外的干扰的能力 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 相互关联 综合考虑 合理选管 5 频谱搬移的实现 两个以上不同频率的余弦波叠加后输入到非线性变频电路中 会产生和差频等系列新频率成分 语音输入信号频谱 载波输入信号频谱 输出信号频谱 设计一个选频网络 4 6晶体 三极 管混频器 1 晶体管混频器的电路组态 对振荡电压来说是共射电路 输出阻抗较大 对谐振回路影响小 信号输入电路与振荡电路相互影响较大 直接耦合 可能产生频率牵引现象 混频时所需本地振荡注入功率较小 这主要是因为共发电路功率放大性能较高 输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入 产生牵引现象的可能性小 对于本振电压来说是共基电路 其输入阻抗较小 不易过激励 因此振荡波形好 失真小 需要较大的本振注入功率 但这一点不难实现 通常所需功率也只有几十毫瓦 因此这种方式的混频器在实际中应用最多 2 晶体管混频原理 变跨导分析法 晶体管混频器基本电路 加电压后的晶体管转移特性曲线 4 6 1 4 6 1a 则混频后输出的中频电流为 其振幅为 4 6 2 4 6 3 4 6 4 4 6 6 式中 4 6 5 4 6 8 某调幅通信机混频器电路 实际电路举例 自激式变频器电路 晶体管 三极管 混频器的缺陷 当输入信号振幅比较大时 三极管混频器转移函数用泰勒级数展开后 必须取很多项 导致混频后输出信号的频率成分太多 干扰严重 4 7二极管混频器 4 7 1二极管平衡混频器 原理性电路 设输入互感线圈的电压感应系数为1 i1 i2 等效电路 4 7 2 4 7 3 4 7 1 i1 i2 设输出互感线圈的电压感应系数为1 比晶体 三极 管混频器产生的频率成分少的很多 无直流分量 4 7 2二极管环形混频器 双平衡混频器 为了进一步抑制非线性产物 采用环形混频器 环形混频器电路 在本振电压正半周的环形混频器 4 7 5 在本振电压负半周的环形混频器 4 7 6 4 7 8 故有 4 7 9 又 4 7 10 展开 4 7 11 晶体 三极 管混频器 有源混频器 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 二极管混频器 无源混频器 优点 1 动态范围较大2 组合频率干扰少3 噪声较小4 不存在本地辐射缺点 无变频增益 目前 许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品 一个用于0 5 500MHz的典型环形混频器的外形及电路示于下图 使用时 8 9端外接信号电压 3 4端相连 5 6端相连 然后在3 5端间加本振电压 中频信号由1 2端输出 此电路除用作混频器外 还可以用作相位检波器 调制器等 4 9混频器中的干扰 干扰的主要种类组合频率干扰和副波道干扰 交叉调制干扰 交调 互相调制干扰 互调 阻塞现象和相互混频 v0 f0 v中频 fi 4 9 1组合频率干扰和副波道干扰 情况1 有用信号和本振产生的组合频率干扰 干扰哨声 即当 4 9 3 产生干扰哨叫 例子 情况2 外来干扰信号和本振产生的干扰 1 组合副波道干扰 如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择性不够好 干扰信号也会进入混频器 v0 f0 v中频 fi 即当 4 9 5 或者 4 9 6 产生组合副波道干扰 例子 2 副波道干扰 是组合副波道干扰的特例 在组合副波道干扰中 某些特定频率形成的干扰称为副波道干扰 主要有中频干扰和镜像干扰 中频干扰 镜像频率干扰 1000kHz 1465kHz 465kHz 1930kHz 4 9 2交叉调制 交调 Cross modulation 表现现象 当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机输入端时 如果接收机调谐于信号频率 可以清楚地收到干扰信号电台的声音 若接收机对接收信号频率失谐 干扰台的声音也消失 产生的原因 由混频器的3次或更高非线性项产生 若有用信号和干扰信号均为调幅波 混频器的非线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 其包络发生变化 与干扰信号的频率无关 只要干扰信号足够强并进入接收机前端 就可能发生交调 4 9 3互相调制 互调 Intermodulation 表现现象 接收机调谐于信号频率 可以清楚地收到干扰信号电台的声音 若接收机对接收信号频率失谐 干扰台的声音仍然存在 最常见干扰形式 无法滤除的干扰 4 9 4阻塞现象与相互混频 1 阻塞干扰 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 会使前端电路内晶体管处于严重的非线性区域 使输出信噪比大大下降 这种现象称为阻塞干扰 产生阻塞观象的原因有两种 一种是强干扰作用下晶体管特性曲线非线性所引起的阻塞 一种是强干扰破坏了晶体管的工作状态 使管子产生假击穿 2 相互混频 由于本振源内存在杂散边带功率 强干扰与杂散边带噪声混频产生的频率分量落在中频通带内形成中频噪声 4 9 5克服干扰的