通信电子电路完整ppt课件

.,1,国家级精品课程,通信电子电路中国矿业大学信电学院信息工程系,.,2,参考书,1.于洪珍、王艳芬.通信电子电路教学参考书（与本教材配套）2.王卫东等.高频电子电路.北京：电子工业出版社，20043.谢嘉奎.电子线路（非线性部分）.（第四版）.北京：高等教育出版社，20004.汪胜宁等.电子线路（第四版）教学指导书.北京：高等教育出版社，20035.高吉祥.高频电子线路.北京：电子工业出版社，20036.李树德等.通信电子电路.北京：人民邮电出版社，1989,.,3,第1章绪论,1.1通信系统的概念1.2无线电波的传播特性1.3无线电波的频段划分1.4调制的通信系统1.5本课程的主要内容,.,4,无线电通信发展简史,三个里程碑：1907Leedeforest发明电子三极管1948W.Shockley发明晶体三极管60年代集成电路、数字电路的出现,原始手段,烽火、旗语,有线通信,电报（1837Morse）电话（1876Bell）,无线通信,电磁波的存在,1864Maxwell（理论）1887Hertz（实践）,.,5,信号源,发送设备,信道,接收设备,收信装置,通信系统传输信息的系统,噪声源,1.1通信系统的概念,.,6,信号源,在实际的通信电子电路中传输的是各种电信号,为此就需要将各种形式的信息转变成电信号。常见的信号源：话筒摄像机各种传感器件,.,7,发送设备,发送设备的作用：将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。对基带信号进行变换的原因：由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。,.,8,信道,信号从发射到接收之间要经过传输信道，传输信道又称传输媒质。不同的传输信道有不同的传输特性，如电缆、光缆、无线电波根据传输媒质的不同，通信系统可以分为两大类：有线通信：双绞线、同轴电缆、光纤无线通信：自由空间,.,9,接收设备,接收设备的作用：接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。对接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。收信装置收信装置：将接收设备输出的电信号变换成原来形式信号的装置，如还原声音的喇叭，恢复图像的显像管等。,.,10,1.2无线电波波段的划分,不同频率电波产生、放大和接收方法不太一样，传播特点更不相同。无线电波按波长的不同划分为超长波、长波、中波、短波、超短波（米波）和微波（包括分米波、厘米波、毫米波）等。如按频率的不同，可划分为甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频和极高频等频段。,.,11,国内一般中波广播的波段为535KHz1605KHz，短波广播的波段为224MHz，调频广播的波段为88108MHz。1.3无线电播的传播特性1.绕射：频率1.5MHz以下的中、长波。2.电离层的反射和折射电离层通信稳定性较差。短波无线电是利用电离层反射的最佳波段。3.直射：频率在30MHz以上的超短波和微波。,.,12,1.4调制的通信系统,1.什么是调制?任何一个正弦波都有三个参数：幅度、频率和相位。调制，就是使这三个参数中的某一个随调制信号大小而线性变化的过程，分别称为幅度调制、频率调制或相位调制。,.,13,2.无线电如何将声音传送到远方？,首先把声音变成电信号，然后把这种低频电信号装载到高频电振荡上(即调制)，通过与高频电振荡波长相当的天线把信号有效的辐射出去。3.为什么要调制？从切实可行的天线出发；区别不同的音频信号；可实现的回路带宽。,.,14,4.什么是解调？,在接收信号的一方（接收端），从收到的已调信号中把调制信号恢复出来。调幅波的解调叫“检波”，调频波的解调叫“鉴频”，解调是其统称。5.无线电调幅广播发送和接收设备框图（1）调幅发射机组成框图,.,15,（2）调幅接收机组成框图,接收设备接收的信号特点：信号频率高；信号功率微弱；多个信号同时出现在接收端。,缺点：对于不同的频率，接收机的灵敏度（接收弱信号的能力）和选择性（区分不同电台的能力）变换较剧烈。,直接放大式接收机框图,.,16,超外差接收机组成框图,接收到的不同载频的微弱高频已调信号变成统一的中频已调信号，再进行中频放大。混频器是超外差式接收机的核心。我国规定中频频率：调幅广播465KHz；调频广播10.7MHz。,.,17,第2章小信号调谐放大器,2.1概述2.2LC谐振回路2.3单调谐放大器2.4晶体管高频等效电路及频率参数2.5高频调谐放大器2.6调谐放大器的级联2.7高频调谐放大器的稳定性2.8集中选频小信号调谐放大器,.,18,2.1概述,一、调谐放大器分类1.小信号调谐放大器小信号：输入信号VmV要求：增益足够大，通频带足够宽，选择性好，工作在甲类，多用于接收机2.调谐功率放大器大信号：输入信号mV以上要求：大的功率和效率，工作在丙类，多用于发射机,.,19,二、电路特点,采用谐振回路作为放大器的集电极负载。,.,20,2.2LC谐振回路,谐振回路：L,C串并联网络作用：构成选频网络、阻抗变换网络等2.2.1串、并联谐振回路的基本特性一、并联谐振与串联谐振回路比较,并联谐振回路R0：电感线圈的固有损耗电阻对信号源而言，L,C,R三者是并联关系,串联谐振回路r0：电感线圈的固有损耗电阻对信号源而言，L,C,R三者是串联关系,.,21,1.并联谐振回路的阻抗特性,二、并联谐振回路,并联阻抗,或,分析：谐振时，回路呈纯阻；当时，回路呈容性；当时，回路呈感性。,.,22,定义回路谐振电阻R0与谐振时回路电抗（感抗或容抗）的比值为并联回路的品质因数，用Q表示，它表示回路损耗的大小。,.,23,2.谐振曲线和通频带,1）谐振曲线回路电压特性曲线,感性,容性,.,24,Q对谐振曲线的影响Q可以衡量谐振现象的尖锐程度,表示频率偏离谐振的程度，称为失谐量。,称为广义失谐量，它反映失谐的相对程度。,.,25,2）通频带,通频带与回路的品质因数Q成反比，Q越高，谐振曲线愈尖锐，回路的选择性越好，通频带越窄。,令,.,26,通常对某一频率偏差,下的,值记为，叫做回,路对这一指定频偏下的选择性。,实际中，常常用分贝来表示,选择性表示回路对通频带以外干扰信号的抑制能力。,3.选择性,.,27,4.矩形系数(一般了解),放大器的电压增益下降到谐振增益的0.1（或0.001）时，相应的频带宽度B0.1（或B0.01）与放大器通频带B0.7之比,或,并联谐振回路的矩形系数,.,28,2.2.2负载和信号源内阻对谐振回路的影响,空载品质因数,信号源,有载品质因数,显然，QLfmax时，无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。频率参数关系,.,45,25高频调谐放大器,一、电路组成二、高频等效电路晶体管接入系数负载导纳接入系数将输出电路所有元件参数均折合到LC两端：电流源,合并,.,46,其中,三、电路性能指标1.电压增益,.,47,讨论：,是工作频率f的函数；当时，“”号表示输入和输出有180的相位差。此外，是一个复数，它也有一个相角，因此输入和输出之间的相位差不是180，而是；当频率较低时，和的相位差才是180；与晶体管正向传输导纳成正比，和回路的总电导成反比;与n1、n2之间的关系？,.,48,2.通频带和选择性,取其模值可见，单调谐放大器的通频带、选择性有与并联谐振回路相同的结论。,.,49,26调谐放大器的级联,实际应用中，常常为了提高增益或改善选择性，采用多级级联放大器。2.6.1多级单调谐放大器（同步调谐放大器）1.多级放大器的增益假设有n级放大器，特性相同。总增益,如果各级放大器的增益相同，则归一化谐振曲线表达式,.,50,2.通频带,保持Bn不变（各级）（各级）因此，增益和通频带存在严重矛盾。改善：参差调谐放大器、双调谐回路放大器,缩小系数（缩减因子）,令,或,.,51,2.6.2参差调谐放大器,目的：展宽通频带类型：双参差调谐，三参差调谐1.双参差调谐放大器结构：两级为一组，一级调谐在，一级调谐在。由曲线，在f1至f2频率范围内，两回路特性变化趋势相互补偿。,.,52,在统一的广义失谐坐标系中，第一级第二级两级相乘为求出K最大值，令，解得,.,53,讨论：,1.，谐振曲线为单峰，在处达到最大值2.，谐振曲线为双峰，且随着的增加，峰值的高度也随之下降。（）3.，两者的分界线，相当于单峰中最平坦的情况。,极值点,.,54,2.三参差调谐放大器,结构：三级为一组优点：幅频特性更接近矩形，通频带更宽缺点：难调整,.,55,27高频调谐放大器的稳定性,271晶体管内部反馈的有害影响1.放大器调试困难2.放大器工作不稳定272解决办法1.尽量选用yre小的晶体管；2.增益不能太高，同时在电路上可采用失配法来减小内反馈的影响。,.,56,2.8集中选频小信号调谐放大器,1.集中选频放大器的组成框图2.主要优点1）电路简单，调整方便；2）性能稳定；3）易于大规模生产、成本低。,前置放大器,集中滤波器,宽带放大器,通频带，选择性,高增益，宽频带,.,57,2.8.1石英晶体滤波器（压电效应）,1.物理特性石英晶体具有把机械振荡转换成交变电压，或把交变电压转换为机械振荡的作用。广泛用于振荡器或窄带滤波器。2.等效电路3.特点中心频率稳定，但带宽很窄,.,58,2.8.2陶瓷滤波器（压电效应）,陶瓷滤波器是由锆钛酸铝陶瓷材料制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面覆盖银层作为电极，经过直流高压极化后具有与晶体类似的压电效应，产生机械形变和极间电场之间的相互转换。C0为压电陶瓷片的固定电容，Lq、Cq、rq分别模拟机械振动时的等效质量，等效弹性系数和等效阻尼。压电陶瓷片的厚度、半径等尺寸参数不同，等效电路参数也就不同。,.,59,将不同谐振特性的压电陶瓷片进行适当的组合连接，就可获得接近理想矩形的幅频特性。优点：工作频率动态范围大，几百kHz到几十MHz缺点：通频带不够宽,.,60,2.8.3声表面波滤波器（声电换能）,优点：工作频率高（几MHz到GHz量级），通频带宽（B0.7/f0可达到50%），频响曲线好1.结构示意图在压电晶体（基体）表面，用真空蒸镀蒸发上一层金属膜，并用光刻工艺制作两组叉指换能器，一个用作发射，一个用作接收。,.,61,2.工作原理,发射换能器输入加入来自信号源的交变电压，由于压电效应，基体产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的弹性波（声波），这种声波沿基体表面10m深度内传播（故称声表面波），接收换能器将声波转换为电信号。,.,62,3.频率特性,频率特性除了与压电基体材料有关外，主要取决于叉指换能器的指条数目、疏密和长度等。,.,63,4.等效电路,（a）等效电路（b）电路符号声表面波滤器的输入、输出阻抗呈容性，主要是由叉指换能器的静态电容引起的，在使用时常常在输入、输出端并联一个电感和电阻，以便与输入、输出电容构成品质因数较低的调谐回路，实现纯阻匹配。,.,64,第3章高频调谐功率放大器,3.1概述3.2调谐功率放大器的工作原理3.3功率和效率3.4调谐功率放大器的工作状态分析3.5调谐功率放大器的实用电路3.6功率晶体管的高频效应3.7倍频器3.8集成高频功率放大电路及应用简介,.,65,3.1概述,一、用途高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出；作用是放大信号，使之达到足够功率输出，以满足天线发射或其他负载的要求；作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级。二、特点1.输入信号强,电压在几百毫伏几伏数量级附近;2.为了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域饱和区、截止区;3.要求：输出功率大、效率高。,.,66,三、分析方法,采用近似的分析方法折线法四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。,.,67,五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同,共同之处都要求输出功率大和效率高。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,.,68,3.2调谐功率放大器的工作原理,3.2.1原理电路Ec、Eb为集电极和基极的直流电源。输入信号经变压器T1耦合到晶体管基-射极，这个信号也叫激励信号。L、C组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫槽路。,.,69,3.2.2晶体管特性的折线化,所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，每条特性曲线用一组折线来代替。,.,70,3.2.3晶体管导通的特点、导通角,1.晶体管导通的特点无信号：晶体管截止有信号：激励信号Eb+Uj导通,.,71,2.导通角,在转移特性的放大区假设输入信号，则加到晶体管基-射极的电压为，晶体管导通范围内集电极电流ic的表达式通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电极电流的导通角，用表示。在丙类工作状态下90。根据导通角的定义，当时，,即,（2）,（1）,.,72,3.2.4集电极余弦脉冲电流分析,式（2）代入式（1）得到当时，为最大值，用表示，则代入得到若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数其中，直流分量幅值,.,73,基波分量幅值,n次谐波分量幅值,.,74,、称作余弦脉冲分解系数，它们是导通角的函数。、的特点:1.2.从曲线可以看出：谐波次数越高其振幅值越小；对某一次谐波而言，总有一个相应的值可使振幅为最大值。,.,75,3.2.5槽路电压,1.波形基本正弦条件：1）槽路调谐于基波2）QL足够高2.大小Rc抽头部分谐振电阻R并联回路谐振电阻,.,76,33功率和效率,功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也大。为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了解功率放大器的功率和效率问题。调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑：1.电源供给的直流功率PS；2.通过晶体管转换的交流功率，即晶体管集电极输出的交流功率Po；3.通过槽路送给负载的交流功率,即RL上得到的功率PL;4.晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗功率PC；5.槽路损耗功率PT；,.,77,电源供给的功率PS，一部分（PC）损耗在管子，使管子发热；另一部分（Po）转换为交流功率，输出给槽路。通过槽路一部分（PT）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分（PL）输出给负载RL。,.,78,1.集电极效率,直流电源供给功率集电极交流输出功率放大器的能量转换效率（集电极效率）讨论：（1）集电极电压利用系数（2）集电极电流利用系数，但，Po，为了兼顾功率和效率，通常取。,.,79,2.槽路效率,PL负载功率，RL所吸收的功率；PT槽路损耗功率，槽路空载电阻R0所吸收的功率。取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元件质量的限制，Q0一般几十到几百。QL也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般QL=510。,.,80,结论：,为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的功率，应力求和高。高要适当选取，电压利用系数尽可能大；高，要求槽路空载品质因数Q0大，即应选用低损耗的电感和电容元件。,.,81,3.4调谐功率放大器的工作状态分析,3.4.1调谐功率放大器的动态特性晶体管的静态特性，是指集电极电路没有负载阻抗条件下电压与电流的变化关系。当考虑了负载的反作用后，得到的uce、ube与ic的关系曲线称为动态特性（即实际放大器的工作特性）。当放大器工作于谐振状态时，外部特性方程在转移特性的放大区，内部特性方程,.,82,动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程。联立可得谐振功率放大器动态特性的方程，它是一条直线，只需找出两个特殊点，就可把它绘出。Q(Ec，)B(，0)作出动态特性曲线后，由它和静态特性曲线相应交点，即可求出对应各种不同值的ic值，绘出相应的ic脉冲波形。,.,83,动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的动态负载电阻，用符号表示,.,84,3.4.2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法,1.调谐功率放大器的三种工作状态根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区，可将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。1)欠压晶体管在任何时刻都工作在放大状态；2)临界刚刚进入饱和区的边缘；3)过压晶体管工作时有部分时间进入饱和区。2.工作状态的判别方法（欠压）（临界）（过压）,.,85,3.4.3Rc,Ec,Eb和Ubm变化对放大器工作状态的影响,1.Rc变化对放大器工作状态的影响负载特性负载特性是指谐振功率放大器当Ec、Eb和Ubm不变时，放大器中各个电流、电压、功率和效率与晶体管等效负载电阻Rc之间的变化关系。,.,86,1）三种工作状态,.,87,2）电流、电压、功率、效率与Rc的关系,（1）欠压状态，Ucm几乎随Rc成正比增加，输出功率Po随Rc增大而增加，接近常量，随Rc增大而增加，随Rc增大而减小（2）过压状态输出功率Po随Rc增大而减小。在临界状态Po最大。,.,88,电流、电压、功率、效率与Rc的关系,放大器的负载特性曲线,.,89,3）三种工作状态的比较,欠压状态：电流Ic1m基本不随Rc变化，输出功率Po随Rc增大而增加，损耗功率PC随Rc增加而减小。当Rc很小时，易使PC超过晶体管最大允许损耗功率PCM，因此在实际使用中要注意保证PCui，因此，振荡器的起振条件为物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。,.,119,4.2.3振荡器的平衡条件,所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。平衡时ufui，因此，振荡器的平衡条件为在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持振荡所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡。,振幅平衡条件,相位平衡条件,.,120,4.2.4振荡器的稳定条件,1.稳定平衡和不稳定平衡2.振幅稳定条件在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率。3.相位稳定条件相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新稳定在原有频率上的条件。相位稳定条件是：相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的。,.,121,4.2.5对振荡三条件的讨论,1.三个条件都必须满足，缺一不可。在实际振荡电路中，必须满足起振和平衡条件，而稳定条件则是隐含在电路结构中。2.如果电路结构合理，只要满足起振条件，就能自动进入平衡状态，产生持续振荡。3.振荡器的分析可分为定性和定量两个方面。定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中是否有选频网络，选频网络的相频特性是否为负斜率，电路中是否具有正反馈。定量分析仅需分析电路是否满足起振条件，由于起振时，振荡管处于线性放大状态，且输入信号很微弱，可以采用微变等效电路的方法进行分析。,.,122,4.3三点式LC振荡器,4.3.1三点式LC振荡器组成法则（相位平衡条件）1.电路LC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连，分电容三点式和电感三点式两种。2.特点射同集（基）反与射极相连的元件电抗性质相同，与集电极、基极相连的元件的电抗性质相反。,.,123,3.证明,忽略三极管输入和输出阻抗，且回路品质因数足够高，则当回路谐振，即X1+X2+X30时，回路呈纯阻。为了满足相位平衡条件，X2与X1必须为同性质电抗。,.,124,4.3.2电容三点式振荡器（考毕兹电路）,1.电路反馈信号从哪取得？从电容C2两端取得，送回放大器输入端。能否满足自激振荡的相位平衡条件呢？满足“射同集（基）反”,.,125,2.反馈系数3.振荡频率其中,.,126,4.优缺点,1）优点振荡波形好；电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响；工作频率可以做得较高，可直接利用晶体管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。2）缺点调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,.,127,4.3.2电感三点式振荡器（哈特莱电路）,1.电路2.反馈系数3.振荡频率其中,.,128,4.优缺点,1）优点L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可；C的改变基本上不影响电路的反馈系数。2）缺点振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；振荡频率不能做得太高，这是因为当频率太高，极间电容影响加大，可能使支路电抗性质改变，从而不能满足相位平衡条件。,.,129,4.4改进型电容三点式振荡器,1.电容三点式振荡电路的不足之处影响反馈系数F与振荡频率的因素都是C1与C2。2.改进办法1）把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。2）振荡频率不受晶体管的输出、输入电容影响。,.,130,3.如何减小Co、Ci的影响，以提高频率稳定度,表面看来，加大回路电容C1与C2的电容量，可以减弱由于Co、Ci的变化对振荡频率的影响。但是这只适用于频率不太高，C1和C2较大的情况。当频率较高时，过分增加C1和C2，必然减小L的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的Q值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于改进。,.,131,4.4.1串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路）,1.电路特点把基本型的电容三点式振荡器集电极-基极支路的电感改用L-C串联回路代替。2.振荡频率选择，时，振荡频率,.,132,3.电容C对振荡电路的影响,，再利用，可得可见，减小C来提高回路标准性是以牺牲环路增益为代价的。,.,133,4.不足之处,1）C1、C2如过大，则振荡幅度就太低。2）当减小C来提高f0时，振荡幅度显著下降；当C减到一定程度时，可能停振。因此限制了f0的提高。3）波段范围不宽，频率覆盖系数小，一般约为1.21.3，另外波段内输出幅度不均匀，不易起振。,.,134,4.4.2并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路）,1.电路特点除了采用两个容量较大的C1、C2外，主要是把基本型的电容反馈线路集电极-基极支路改用LC并联回路再与C3串联。2.振荡频率,.,135,3.电容C对振荡电路的影响,n和C无关，当调节C来改变振荡频率时，n不变。，再利用，可得可见，当改变C时，n、L、Q都是常数，R仅随0一次方增长，易于起振。,.,136,4.优点,波段内振幅比较稳定，且调谐范围比较宽，实际中常用于宽波段工作系统中。4.4.3几种三点式振荡器的比较（教材P103表42）,.,137,4.5振荡器的频率稳定问题,1.振荡器的频率稳定度在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量。根据规定时间的长短不同，可分为长期、短期和瞬时频率稳定度。2.造成频率不稳定的因素（1）LC回路参数不稳定；（2）晶体管参数不稳定。,.,138,3.稳频措施,（1）提高谐振回路的标准性，采用高质量的集总参数电感和电容；（2）提高谐振回路的Q值；（3）为了减小寄生电容及其对回路的影响，器件和回路之间采用部分接入方式。,.,139,一、石英晶体的电特性石英片是从石英晶体柱中切割下来的一种弹性体，有一固有振动频率，其值与石英片的形状、尺寸、切型有关。当外加交流电压的频率等于晶体固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。1.物理性能和化学性能十分稳定2.振动具有多谐性基频振动、泛音振动3.具有正反压电效应机和电的相互转换效应,4.6石英晶体谐振器,.,140,二、符号和等效电路,石英谐振器具有很大的Lq（几十毫亨），很小的Cq（10-2pF以下）和很高的Q。其次C0远大于Cq，因此接成晶体振荡电路时，外电路对晶体电特性的影响便显著减小。符号基频等效电路完整等效电路,.,141,三、石英晶体的阻抗特性,1.串联谐振频率2.并联谐振频率在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有电容CL，相应的并联谐振频率由fp减小到fN，其值为?通常称CL为晶体的负载电容，标在晶体外壳上的振荡频率（或称晶体标称频率）就是并接CL后的fN值。,.,142,3.电抗-频率曲线（rq=0）,.,143,四、石英谐振器频率稳定度高的原因,1.高回路标准性2.高Q值3.极小的部分接入如果某一分布电容Cn并在C0两端，振荡频率外界电阻R如果并在C0两端，则折合到Lq两端的电阻由于,所以。,.,144,4.7石英晶体振荡器电路,并联型晶振电路晶体工作于略高于串联谐振频率fs呈感性的频段（fsf1时，包络出现过零点，上下包络不反映调制信号的变化，称为过调幅。,.,157,3.调幅信号的频谱,两点结论：1）调制的过程是实现频谱线性搬移的过程；2）载频仍保持调制前的频率和幅度，因此它没有反映调制信号信息，只有两个边带携带了调制信号的信息。调幅信号的带宽B2F思考题：多音调制，已调波的频谱宽度B？,.,158,4.调幅波的功率,载波功率边频功率（上边频或下边频）因此，在调制信号一周期内，调幅信号的平均功率为因为ma1，所以边频功率之和最多占总输出功率的1/3。调幅波中至少有2/3的功率不含信息，从有效地利用发射机功率来看，普通调幅波是很不经济的。,.,159,5.2.2抑制载波双边带调幅（DSB）,为了克服普通调幅波效率低的缺点，提高设备的功率利用率，可以不发送载波，而只发送边带信号。单音调制时，DSB的表达式为其所占据的频带宽度仍为调制信号频谱中最高频率的两倍，即BDSB=2Fmax。,.,160,波形特点：,1）上下包络不再反映调制信号的变化形状；2）在调制信号为零的两旁，已调波的相位发生180突变。,.,161,5.2.3抑制载波单边带调幅,上边频与下边频的频谱分量对称含有相同的信息，可以只发送单个边带信号，称为单边带通信（SSB）。由通过边带滤波器后，可得上边带或下边带：下边带信号上边带信号其频带宽度BSSB=Fmax。,.,162,5.3调幅波产生原理的理论分析,该节相关内容插在5.5及5.6节中，例如：5.5中，小信号平方律检波用幂级数分析法；5.6中，大信号调幅的数学分析用开关函数近似分析法。,.,163,5.4普通调幅波的产生电路,一、引言1.叠加波调幅波调幅波的共同之处是在调幅前后产生了新的频率分量，因此需要用非线性器件来完成频率变换。2.调幅的方法1）二、三极管2）大、小信号3）高、低电平高电平调幅一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。低电平调幅一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。4）从哪个极加入（基极、集电极、发射极调幅）,.,164,3.实现调幅的方框图,（a）普通调幅波实现框图（b）抑制载波的双边带调幅波实现框图（c）单边带调幅波实现框图4.数学分析法大信号折线近似法小信号幂级数分析法,.,165,二、大信号基极调幅电路,1.电路2.基本工作原理思路：u相当于一个缓慢变化的偏压，使icmax按调制信号的大小而变化，从而引起基波电流振幅Ic1m的变化，最后使得输出回路两端电压也跟随u变化。,.,166,3.设计要求,（1）关于放大器的工作状态欠压状态，设计时应使放大器最大工作点（调幅波幅值最大处）处于临界状态。（2）晶体管的选择放大器的工作状态随调制信号而变化，应根据最困难条件选管子。ICM（Icmax）maxBVceo2EcPCM(PC)c载波状态（传送语言或音乐信息的休止时间）集电极损耗功率,.,167,设载波状态在调制特性的中心，则当调制信号为单频正弦信号时，因Ec不变，所以由于所以,.,168,（3）优缺点,优点：所需调制信号功率很小；电路比较简单。缺点：工作在欠压状态，集电极效率很低。（4）失真波形两种：波谷变平、波腹变平波谷变平波腹变平产生波谷变平的原因：过调（即反偏压Um过大）或激励电压Um过小，造成管子在波谷处截止。,.,169,产生波腹变平的原因：,放大器工作在过压状态。激励过强或阻抗匹配不当都可能造成此现象；激励功率不够或激励信号源内阻过大，造成波腹处的基波脉冲增长不上去；管子在大电流下输出特性不好，造成波腹处集电极电流脉冲增长不上去。,.,170,三、集电极调幅电路,1.电路电路特点：1）Ecc=Ec+u，综合电源电压；2）R1、C1是基极自给偏压环节。,.,171,2.基本工作原理（着重理解各点波形）,由于放大器在载波状态即工作在过压状态，ic脉冲中心下凹。Ecc愈小，过压愈深，脉冲下凹愈甚。一般是当Ecc最大时，将放大器调整到临界状态，ic脉冲不下凹。ib的幅值变化规律与ic相反，过压愈深，输入特性曲线左移愈多，ib脉冲愈大。,.,172,3.设计要点,（1）放大器的工作状态最大工作点设计在临界状态，其余时间都处于过压状态。（2）晶体管的选择ICM（Icmax）maxBVceo4EcPCM(PC)av图518集电极瞬时电压波形,.,173,集电极效率由于调制过程中，Ucm、Ic1m、Ic0都随Ec成正比地变化，所以集电极效率不变。由得,.,174,（3）对激励的要求,为保证过压工作，激励的强度应满足最大工作点工作在临界状态。如果激励不足，则产生波腹变平的失真。（4）对调制信号的要求为了获得ma=1的深度调幅，UmEc。思考：Um过小则调制不深，过大则产生过调失真。集电极调幅的过调失真波形？,.,175,原因：,这是因为Eccuo(t)（导通），C充电，时间常数=CrD,.,181,音频成分有用输出；高频滤去直流成分隔直流电容滤去，可用于AGC（自动增益控制电路）。当输入信号很大时，设法把管子发射结偏压降低一些。（二）检波效率（）1.电路参数（cCRL、RL、rD）对的影响（1）一定RL下，cCRL（=）大，放电变慢，高；（2）一定cCRL下，RL大，充电加快，高；（3）rD小，充电快，高。,2.uo(t)的成分,.,182,输入信号小，则检波二极管rD大，降低。（三）输入电阻（Rin）输入电阻定义为输入高频电压振幅对二极管电流中基波分量振幅的比值。设输入为高频等幅信号,相应输出为直流电压Uo，检波器从输入信号源获得的高频功率为经二极管变换作用，一部分转换为有用输出功率由于V的导通时间很短，近似认为PLPi，而UoUcm，因此,2.信号强度对的影响,.,183,（四）检波失真,1.割底失真（1）不产生割底失真的条件设，则不产生割底失真的条件ma愈大或检波器交直流负载电阻比值愈小，愈容易产生割底失真。,.,184,（2）改进电路,思路：减小交、直流负载电阻值的差别常取RL1/RL20.10.2,.,185,2.对角线失真（放电失真，惰性失真）,（1）失真原因放电慢，包络线下降快。（2）不失真条件C通过RL的放电速度大于或等于包络的下降速度。（3）易产生对角线失真的情况放电慢调制深，包络线下降快周期短，包络线下降快,.,186,（五）检波器元器件选择与设计原则,1.检波二极管选用正向电阻和结电容小（或最高工作频率高）的晶体二极管。2.RL和C的选择（1）从提高检波效率和高频滤波能力考虑，RLC应尽可能大；从避免对角线失真考虑，RLC有一最大允许值。（2）为保证所需的检波输入电阻，RL2Rin；为避免割底失真，RL有一最大允许值。,.,187,三、普通调幅波的同步解调,从频谱图上看，调幅波的解调是将调幅波中的边带信号不失真的搬到零频附近。因此，调幅波的解调电路也属于频谱搬移电路。（1）电路模型（2）解调电路,.,188,5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路,一、大信号调幅的数学分析假设Ucm足够大，且其值远大于，这属于大信号工作情况，则可近似认为二极管工作在受载波控制的开关状态。此时，管子导通后的非线性相对于单向导电性来说是次要的，因而它的伏安特性可用自原点转折的两段折线逼近。,.,189,引入开关函数k(t),载波正半周k(t)=1，载波负半周k(t)=0。开关函数实际上就是幅度为1，频率为c的单向方波脉冲，用傅里叶级数展开后得到通过二极管V的电流,.,190,二、抑制载波调幅波的产生电路,采用平衡、抵消方法把载波抑制掉，这种电路称为抑制载波调幅电路或叫平衡调幅电路。1.电路2.工作原理uc正半周，V1、V2导通，V3、V4截止；uc负半周，V3、V4导通，V1、V2截止。,.,191,利用开关函数，则,（1）uc正半周,.,192,注意到此时的开关函数为，则,（2）uc负半周,.,193,通过负载RL上的总电流,变压器上、下绕组要求各参数尽量相同，保持上下两部分完全对称，四个二极管的特性也应一致。否则，载波分量不会被完全抑制掉，出现“载漏”。,.,194,三、抑制载波调幅波的解调电路,包络检波器只能解调普通调幅波，而不能解调DSB和SSB信号。这是由于后两种已调信号的包络并不反映调制信号的变化规律，因此，抑制载波调幅的解调必须采用同步检波电路。收端须提供与发端同频同相的同步信号本地载波信号分类：乘积型同步检波电路和叠加型同步检波电路,ui(t),低通滤波器,ur(t),uo(t),ui(t),包络检波器,ur(t),uo(t),.,195,1）组成框图2）工作原理设输入的DSB信号，本地载波信号，两者相乘有用低通滤波器滤除二次谐波，就可得到所需调制信号。,.,196,3）本地载波信号产生方法,对于双边带调幅波，同步信号可直接从输入的双边带调幅波中提取。（平方环法或科斯塔斯环法）从中取出角频率为的分量，经二分频器将它变换成角频率为的同步信号。对于单边带调幅波，同步信号无法从中提取出来。为了产生同步信号，往往在发送单边带信号的同时，附带发送一个功率远低于边带信号功率的载波信号，称为导频信号，接收端收到导频信号后，经放大就可作为同步信号。在接收端，也可用导频信号去控制本地振荡信号使其处在同步中。,平方,.,197,第6章角度调制与解调,6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍,.,198,6.1概述,1.非线性调制任何一个简谐信号，总是由振幅、频率和相位三个基本参数来描述的。线性调制频谱的线性搬移（调幅）非线性调制：频率调制相位调制2.非线性调制中，瞬时频率和瞬时相位之间的关系设载波，调制后瞬时频率瞬时相位,瞬时相位是瞬时频率的积分,瞬时频率是瞬时相位的导数,.,199,6.2调角波的性质,6.2.1调频及其数学表达式1.定义载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化。Kf调频系数，是一个由调频电路决定的常数。瞬时相位调频信号的数学表达式,.,200,2.参数,角频率的最大偏移（最大频偏）调频指数（最大相移）,.,201,6.2.2调相及其数学表达式,1.定义载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化。Kp调相系数，取决于调相电路。瞬时频率调相信号的数学表达式2.参数角频率的最大偏移（最大频偏）调相指数（最大相移）,.,202,表61调频信号和调相信号比较（单音调制）,.,203,单音调制时的调频和调相信号波形,.,204,6.2.3调角波的频谱与有效频带宽度,讨论单音调制的情况1.窄带调频（NBFM）：mf1,其中，这里，Jn(mf)是以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数，其值有曲线和函数表可查。,.,206,由图可见：,阶数n或数值mf越大，Jn(mf)的变化范围越小；Jn(mf)随mf的增大作正负交替变化；mf在某些数值上，Jn(mf)为0，例如mf=2.40，5.52，8.65，11.79时，J0(mf)为0。图6-6贝塞尔函数曲线,.,207,贝塞尔函数具有下列性质：,因此，调频波的数学表达式可表示为,.,208,（1）调频波的频谱,单音调制调频波的频谱具有以下特点：调频信号的频谱不是调制信号频谱的线性搬移，而是由载频和无数对边频分量组成。各分量的幅度由相应的贝塞尔函数值决定，当mf为某些特定值时，可使载频或某些边频幅度为0。各分量之间的间隔均为，其中n为奇数的上、下边频分量极性相反，n为偶数的上、下边频分量极性相同。,.,209,（2）有效频带宽度,理论上：边频分量有无穷多对频谱无限宽；实际上：nJn(mf)，当n大到一定数值后，更高次的边频可忽略不计。工程上规定，振幅小于未调制载波振幅10%的边频分量可忽略不计。因此，调频波的有效频带宽度B=2(mf+1)F=2(f+F),.,210,6.2.4调角信号频谱与调制信号的关系,对于FM波当mf1时，B=2(mf+1)F2f，由于f与F无关，所以B近似与F无关。因此，FM被称为恒定带宽调制。对于PM波当mp1时，B2f，此时f=KpUm，与成正比，即PM信号的带宽随调制信号频率而近似线性变化。因此，在模拟调制时，除利用调相来获得FM信号外，很少采用PM调制。,.,211,6.2.5调角波的功率,单音调制时，因此，调角波的平均功率利用贝塞尔函数的性质，则调角波的平均功率为因此，调制的过程是一个信号功率重新分配的过程。,.,212,6.3调频信号的产生,一、调频方法1.直接调频调制信号直接控制决定振荡器振荡频率的某个参数，使振荡器瞬时频率随调制信号大小线性变化。直接调频的电路基础是一个振荡器电路。其优点是能够获得较大的频偏，缺点是频率稳定度较低。,.,213,2.间接调频,间接调频就是利用调相来实现调频，其框图为间接调频的振荡器和调制器是分开的，因此可以获得较高的频率稳定度。但受线性调制的限制，相移、最大频偏都较小，通常不能满足要求，因此需加倍频器，以扩展频偏。,积分器,相位调制器,倍频器,载波,.,214,二、调频电路的性能指标,1.调制特性要求为线性调制特性是描述瞬时频率偏移f(t)随调制电压u(t)变化的特性，要求它在特定调制电压范围内是线性的。2.调制灵敏度单位调制信号电压变化所产生的频率偏移，用S表示。在线性调频范围内，S相当于Kf。,.,215,3.最大频偏,当Um一定，在调制信号频率范围内，fm应保持不变。调频广播系统的要求是75kHz，调频电视伴音系统的要求是50kHz。4.载波频率稳定性调频广播系统要求载频漂移不超过2kHz，调频电视伴音系统要求载频漂移不超过500Hz。,.,216,6.4调频电路,6.4.1变容二极管调频电路1.变容二极管利用PN结的势垒电容随反偏压大小而变化的特性而制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件。2.结电容与反向电压u的关系其中，u0时的结电容，PN结的势垒电位差，变容指数，取决于PN结的工艺结构。,.,217,3.变容二极管调频原理,由于变容二极管接在振荡器回路中，其结电容成为回路电容的一部分。当调制电压u加在变容二极管上使加在变容二极管上的反向电压受u控制；从而使得变容二极管的结电容Cd受u控制；则回路总电容C也要受u控制；最后使得振荡器的振荡频率受u控制，即瞬时频率随u的变化而变化。,.,218,（1）变容二极管作为振荡回路总电容,.,219,存在问题：,叠加在变容二极管两端的高频电压不仅影响振荡频率随调制电压的变化规律，而且还影响振荡幅度和频率稳定度等性能。,.,220,（2）变容管部分接入振荡回路（小频偏）,C2的作用：使变容二极管部分接入振荡回路，提高中心频率的稳定性；由于C2的分压，加到变容二极管上的高频振荡电压也相应减小。问题：电容C1可不可以不加，为什么要加C1？因为高频电路中存在分布电容，加大C1提高稳定性，但频偏减小。,.,221,分析思路：变容二极管上需加固定偏压及u；变容二极管是高频振荡电路的一部分。C2对音频和直流容抗大，可看作开路。ZL对音频和直流容抗忽略不计，可看作短路。,4.变容二极管调频原理电路,.,222,音频时等效电路,高频时等效电路,.,223,6.4.2电抗管调频电路,1.组成由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成。2.调频原理将电抗管接入振荡器谐振回路，在低频调制信号控制下，电抗管的等效电抗发生变化，从而使振荡器的瞬时振荡频率随调制电压而变，获得调频。,.,224,6.4.3晶体振荡器调频电路,用调制信号控制变容二极管的结电容，以引起晶体等效电抗的变化，从而使振荡频率受调制信号控制。,.,225,晶体振荡器调频，可以获得较高的中心频率稳定度，但相对频偏很小（104量级）。因此，利用晶体振荡器直接调频产生FM信号时必须扩展频偏，方法有两种：利用倍频和混频器分别扩展绝对频偏和相对频偏；在晶体支路中串联一个小电感，使晶体的串联谐振频率从fs降低到fs1，扩展fs到fp之间的范围。,.,226,6.5调频波的解调,实现鉴频的方法：1.将调频波通过频率-幅度变换网络变成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波，再经包络检波器检出调制信号。2.将调频波通过频率-相位变换网络变成调频调相波，然后通过相位检波器检出调制信号。,.,227,6.5.1鉴频器的质量指标,1.鉴频跨导gd（鉴频灵敏度）单位频偏所产生输出电压的大小2.鉴频频带宽度BB2f3.非线性失真4.对寄生调幅应有一定的抑制能力,.,228,6.5.2斜率鉴频器,1.斜率鉴频器的理论模型2.单失谐回路斜率鉴频器（1）电路形式与工作原理调频调幅变换器实际上是一个以LC回路为负载的调谐放大器，但回路失谐；波形变换原理：利用谐振回路对不同频率呈现不同阻抗的传输特性。,.,229,（2）鉴频特性分析,鉴频灵敏度的大小与变换器幅频特性f0处的斜率成正比斜率鉴频器；变换器幅频特性线性范围较窄，若要增大，就要降低LC回路的Q值，但又使鉴频灵敏度降低；对输入信号寄生调幅没有抑制作用。,.,230,3.参差调谐鉴频器（双失谐回路斜率鉴频器）,（1）电路初级LC回路调谐在输入调频信号的中心频率fc上，次级上下两个回路分别调谐在f1和f2上。设f1fc，f2fc时，Uo1Uo2，Uo为正值；ffc时，Uo1Uo2，Uo为负值。,.,231,（3）优缺点,优点鉴频灵敏度较高，其输出电压比单失谐回路斜率鉴频器的输出大一倍。缺点要求上下两个回路严格对称，三个回路要分别调谐到三个不同的准确频率上，给实际调整增加了困难。,.,232,6.5.3相位鉴频器,相