电子线路 非线性部分(第五版)冯军 谢嘉奎绪论和第一章

绪论,0.1非线性电子线路的作用,0.2非线性器件的基本特点,0.3本课程的特点,.,0.1非线性电子线路的作用,一、线性电子电路与非线性电子电路,电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：,线性电路：对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。,非线性电路：对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功能。,器件特性与使用条件密切相关，例如：,小信号条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用线性等效电路表示，例如各种小信号放大器(线性电子线路)中，器件的特性归属线性电子线路。,大信号条件下，输入信号大，必涉及器件的非线性部分，例如功率放大器。故不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以，功放归属非线性电子线路。,二、非线性电子线路在通信系统中的应用,1通信系统的分类,(1)有线通信系统：利用导线传送信息,(2)无线通信系统：利用电磁波传送信息,(3)光纤通信系统：利用光导纤维传送信息,2无线通信系统,图0-1-1无线通信系统的组成,组成：发射装置+接收装置+传输媒体,(1)发射装置,换能器：,将被发送的信息变换为电信号。例：话筒将声音变为电信号。,将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。,发射机：,无线通信系统的组成,天线：,将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。,(2)接收装置,接收是发射的逆过程。,接收天线：,高频电振荡,电信号,接收机：,将从空间接收的电磁波高频电振荡。,换能器：将电信号,所传送信息,(3)传输媒体电磁波,电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：长波、中波、短波、超短波。,表1各波段特点,图0-1-2无线电波传播方式,传播距离：电离层地面直线,3无线通信存在的问题,(1)接收信号微弱,电磁波,接收天线,(2)存在干扰,例如其他电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。,对接收装置的要求：增益高，选择性好。,4解决方案,发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。,(1)调制,由携有信息的电信号(如音频信号)去控制高频振荡信号的某一参数(如振幅)，使该参数按照电信号的规律而变化(调幅)。,调制信号：携有信息的电信号。,载波信号：未调制的高频振荡信号。,已调波：经过调制后的高频振荡信号。,根据受控参数：调幅、调角(调频、调相)。,(2)解调,调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。,(3)调制的作用,减小天线的尺寸。音频范围：20Hz20kHz，若发射100Hz，波长=c/f=3000km，天线至少几百千米。需减少波长，提高发射频率。,选台。将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其他电台发送的信息和各种干扰。,5调幅发射机组成,图0-1-3调幅广播发射机的组成,调幅广播发射机的组成,各部分作用：,(1)振荡器,产生fosc的高频振荡信号，几十千赫以上。,(2)高频放大器,多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至fc，并提供足够大的载波功率。,(3)调制信号放大器,多级放大器，前几级为小信号放大器，放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。,(4)振幅调制器,实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。,6调幅接收机,图0-1-4调幅广播接收机的组成,调幅广播接收机的组成,(1)高频放大器,为小信号谐振放大器，作用：,选台。利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其他频率的干扰信号。,放大。放大选出的有用信号。,(2)混频器,两路输入为：,由高放级：已调信号fc。,由本机振荡器：本振信号fL。,作用：载波变频将已调信号的载波由fc(高频)变换为fI(中频)，fI=|fc-fL|而调制波形不变。,(3)本机振荡,产生频率为fL=|fc+fI|(或fL=fc-fI)的高频等幅振荡信号。fL可调，并能跟踪fc。,(4)中频放大器,为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。,(5)检波器,解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。,(6)低频放大器,小信号放大器功率放大器，作用：放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。,可见，有用信号在不同频率上进行放大超外差接收机。,特点：解调电路前包括混频器、本机振荡、中频放大器等。,优点：增益高，选择性好。,直接高放接收机：解调前仅包括高放，无混频器、本机振荡、中频放大器等，增益低，选择性差。,7其他通信系统,调频无线通信系统，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于调制器和解调器上。,实现调制的模块频率调制器；,实现解调的模块频率检波器或鉴频器。,数字通信系统，调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制。,软件无线电，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。,8小结,(1)非线性电子线路讨论的范围,除小信号放大器以外的其他功能电路振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器。,(2)本课程讨论的内容三类电路,功率放大电路在输入信号作用下，可将直流电源提供的部分功率转换为按输入信号规律变化的输出信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。,振荡电路可在不加输入信号的情况下，稳定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。,波形变换和频率变换电路能在输入信号作用下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：调制电路、解调电路、混频电路和倍频电路。,本课程将顺序学习这三类电路。,.,0.2非线性器件的基本特点,非线性电子线路中，上述三类功能的实现利用了器件的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的基本特点(参数、控制变量、不能用叠加定理)。,一、非线性器件特性的参数,主要有三个参数：,直流参数,适用于直流分析,交流参数,适用于频率变换电路的分析,平均参数,适用于功率放大和振荡电路的分析,例：非线性电阻：,直流电导,定义：,意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。,特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。,应用：直流分析。,交流电导,定义：,意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量电流与增量电压的比值。,特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。,应用：交流分析。,平均电导,图0-2-2在大信号作用下的电流波形,定义：当器件两端加余弦电压v=Vmcost时，因特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其按傅里叶级数展开：,则平均电导即为基波电流振幅与外加电压振幅之比：,意义：反映基波电流与外加电压间的依存关系。,特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。,应用：功放和振荡电路分析。,二、非线性器件特性的控制变量,控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时须注明它的控制变量。,1控制量不同，特性不同,例1：二极管,电压为控制量电流对电压呈指数关系变化；,电流为控制量电压对电流呈对数关系变化。,2特性为非单调时多值和负值,例2：隧道二极管,图0-2-3伏安特性曲线,(1)控制变量,电压：电流为单值,电流：电压为多值,压控非线性器件,(2)直流电导g00，在曲线上任一点均为正。,(3)交流电导g(a,b)0，即在a、b段为负电导。,器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，尤其特性非单调变化时非线性与线性器件的重要区别。,三、不满足叠加定理,若i=f(v)，v=v1+v2,则i=f(v1+v2)但if(v1)+f(v2),例i=av2v=v1+v2,注意，i中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。若v1=V1mcos1t，v2=V2mcos2t，则i中除出现1，2两分量外，还出现两电压乘积项产生的角频率为12的新频率分量。,出现新的频率成分非线性电路可以实现频率加、减等更多电路功能。,.,0.3本课程的特点,1工程上采用近似分析法,非线性器件物理特性复杂，需要解非线性方程或时变系数的线性微分方程。,对策：对器件数学模型和电路工作条件进行合理近似，用近似分析方法获得具有实用意义的结果。,2功能与电路形式多,对策：抓本质功能再多也是借助器件的非线性；,抓基本电路种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。,3重视实验环节，坚持理论联系实际,本书内容安排的三个层次：,由电路功能的基本原理导出基本电路。,合理近似，引出对电路的工程近似分析。,根据分析结果，提出对电路的设计原则及改进电路性能的基本途径。,.,第1章功率电子线路,1.1功率电子线路概述,1.2功率放大器的电路组成和工作特性,1.3乙类推挽功率放大电路,1.4功率合成技术,1.5整流与稳压电路,.,第1章功率电子线路,1.1功率电子线路概述,1.1.1功率放大器,1.1.2电源变换电路,1.1.3功率器件,.,1.1功率电子线路概述,作用：高效地实现能量变换和控制。,种类：,(1)功率放大电路特点：放大用途：通信、音像等电子设备。,(2)电源变换电路特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。,.,1.1.1功率放大器,特点：工作在大信号状态。,一、功率放大器的性能要求,安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。,高效率。,C集电极效率(CollectorEfficiency),Po输出信号功率；PD电源提供的功率；,PC管耗(PowerDissipation)/集电极耗散功率；,Po一定，C越高，PD越小PC小，既可选PCM小的管子，以降低费用，也节省能源。,失真小。,.,尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。,二、功率管的运用特点,1功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。,甲类：功率管在一个周期内导通，c=。,乙类：功率管仅在半个周期内导通，c=/2。,甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，/2c。,丙类：功率管在小于半个周期内导通，c/2。,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,功率管的运用状态,.,根据下列曲线说出功率管的应用状态：,图111各种运用状态下的输出电流波形,2不同运用状态下的C,管子的运用状态不同，相应的Cmax也不同。,减小PC可提高C。,.,假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE，则PC为,讨论：若减少PC，则要减少iCvCE,方法1：由甲类甲乙类乙类丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大iC=0)的时间。,方法2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。饱和时，vCEVCE(sat)很小PC很小；截止时，iC很小，iCvCE也很小PC很小。,总之：为提高C，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见1.2节)。,.,1.1.2电源变换电路,按变换方式不同：,(1)整流器(Rectifier)：交流电-直流电。应用：电子设备供电。,(2)直流-直流变换器(DC-DCConverter)：直流电-直流电。应用：开关电源。,(3)逆变器(Inverter)：直流电-交流电。应用：不间断电源、变频电源。,(4)交流-交流变换器(AC-ACConverter)：交流电-交流电。应用：变压等。,.,1.1.3功率器件,功率管的种类：(1)双极型功率晶体管(2)功率MOS管(3)绝缘栅双极型功率管,功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，需了解其极限参数及安全工作区。,以双极型功率管为例，安全工作区受如下极限参数限制：,最大允许管耗PCM。与散热条件密切相关。基极开路集-射反向击穿电压V(BR)CEO。集电极最大允许电流ICM。,以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。,.,一、功率管散热和相应的PCM,管耗PC主要消耗在集电结上，使结温升高。,若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。,热崩(ThermalRunaway)：,集电结结温(Tj)iCPCTj如此反复，直至TjTjM(集电结最高允许温度)而导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。,提高PCM的办法：,.,图114(a)、(b)功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路,管子集电极直接固定在金属底座上。,金属底座与管壳相连。金属底座还加装金属散热器。,.,各种散热片,.,各种功率晶体管,.,热传导过程,T2为热源温度，T1为空气温度，P为传输的热功率，Rth为热阻，单位/W,当热源产生热量时，热源温度T2上升，向外部传输热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。T2不再变化。,晶体管的热量传递,.,因为R(th)cs+R(th)sa0时，T1导通(忽略射结压降)；vi2(t)0时，T2导通；vi1(t)0时，T1管(NPN型)导通(忽略射结压降)，T2管(PNP型)截止，iC1(iE1)为正弦波的正半周；,vi(t)0，T1导通，负载线AQ过Q点，斜率为-1/RL；,Vi0，T2导通，负载线AQ过Q点，斜率为-1/RL。,.,(2)性能分析(忽略失真),一般性能分析,在0t时，iC2=0iC1=Icmsint,t2时，iC1=0iC2=Icmsint,集-射极间电压：VCE1=VCC-Vcmsint，VCE2=-VCCVcmsint,通过RL的电流：,相应产生的电压：,RL上的输出功率：PL=Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2,正负电源总的直流功率：,PD=PD1+PD2=2VCCIC0=2VCCIcm/,.,若充分激励：与RL相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。,令VCE(sat)=0，ICEO=0，则Vcm=VCC，Icm=VCC/RL,相应Po和PD达到最大，即,乙类功放的最大集电极效率,比甲类功放高,若激励不足,Vcm减小，引入电源电压利用系数表示Vcm的减小程度。,.,定义=Vcm/VCC,集电极管耗：,分析：当输入激励由大减小，即减小时，Po、PD、C均单调减小，而PC1和PC2的变化非单调，时最大，其值为,.,功放性能随变化的特性：,小时，PD、Po、C小；接近1时，PD、Po、C大。,结论：,PC非单调变化，两头小，中间大。,PD随(激励)线性增大，与甲类(不变)不同。,.,(3)管安全,由,增大VCC，减小RL，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列安全工作条件的限制：,PC1max=PC2max=0.2PomaxPCM,取其中的小值,检查二次击穿。,.,1.3乙类推挽功率放大电路,从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题：交越失真加偏置电路；双电源单电源供电；互补管难配准互补推挽电路；安全过载保护；充分激励输入激励电路。,一、交越失真和偏置电路,1交越失真(CrossoverDistortion),(1)定义,在零偏置条件下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现的失真，称交越失真。,.,图132图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性,交越失真,.,(2)解决途径,图133加偏置的互补推挽电路及其传输特性,输入端两管适当正偏，使其工作在甲乙类。,由传输特性可见：只要VBB取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。,.,(3)常用电路,二极管偏置电路,VBE倍增电路,2二极管偏置电路,在集成电路中，偏置二极管通常由晶体管取代，如图1-3-4(b)所示。或者用互补管T3、T4取代，如图1-3-4(c)所示。,图1-3-4二极管偏置电路,.,问题：偏置电路是否影响输入信号vi(t)的传输。,解答：二极管正向交流电阻很小，可认为交流短路。,图1-3-4二极管偏置电路,.,3VBE倍增电路,图135VBE倍增偏置电路,(1)偏置电路,由T3、R1、R2组成，且由电流源IR激励，为互补功率管T1、T2提供偏置电压VBB。,T3、R1构成电压并联负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。,.,图135VBE倍增偏置电路,(2)倍增原理,式中，VBE3=VTln(IE3/IS)VTln(IR/IS),上式表明：偏置电路提供的偏置电压VBB是VBE3的倍增值，且其值受R1和R2控制，故称为VBE倍增电路。,(3)热补偿,TICQVBE3VBBICQ,.,二、单电源供电的互补推挽电路(OTL),图136,1电路特点单电源供电负载串接大容量隔直电容CL。VCC与两管串接，若两管特性配对，则VO=VCC/2，CL等效为电压等于VCC/2的直流电源。,2工作原理,T1管的直流供电电压：VCCVO=VCC/2，T2的供电电压：0VO=VCC/2。,单电源供电电路等效为VCC/2和VCC/2的双电源供电电路。,.,三、准互补推挽电路,1问题的提出,互补要求两功率管特性配对，难实现。,2解决办法,采用复合管取代互补管，构成准互补推挽电路。,3电路,图137准互补推挽电路,复合管T1、T2等效为NPN型管；T3与T4等效为PNP型管。,.,其中，T1、T3为小功率管，它们之间是互补的，T2、T4为大功率管，它们是同型，便于特性配对，故称为准互补推挽电路。,R1，R2(几百欧姆)减小复合管的反向饱和电流。,.,四、保护电路,1必要性,实际可能发生负载短路，电流迅速增大等异常现象，造成功率管损坏。为了安全起见，应有过流、过压、过热保护。,2过流保护电路,(1)电路,图138限流保护电路,T1、T2：保护管；R1、R2：取样电阻。,(2)原理,以保护管T1为例。,.,正常时，VR1不足以使T1导通，不起保护作用。,异常时，VR1使T1导通，分流i1，限制T3管的输出电流，起到了限流保护作用。,T2对T4的限流保护作用同上。,.,五、输入激励电路,1必要性,互补功放,功率管为射随器，Avvo二极管导通，电容充电。,v2vO时，二极管导通，所以在v2的正负半周D1和D2轮流导通。,稳态波形如图154(b)所示。,.,O,由于电流脉冲的频率比半波整流提高一倍，输出的直流电流IO和输出电压VO比半波整流电路大，RL和CL的滤波作用提高，纹波电压比半波整流电路小。,.,2桥式整流电路,图155桥式整流电路及其电压和电流波形,如图155(a)所示，v2正峰值附近D1、D3导通，D2、D4截止。,v2负峰值附近D2、D4导通，D1、D3截止。,.,图1-5-5桥式整流电路及其电压和电流波形,IO与VO与全波整流电路相同，但截止时的反向电压由两只二极管共同承担。,电压和电流的波形如图155(d)、(e)、(f)所示。,.,三、三种整流电路的性能,1半波整流电路,优点：元件少，电路简单。缺点：VO小，纹波大。,2全波整流电路,优点：VO大，纹波小。缺点：二极管承受的反向电压高。,3桥式整流电路,优点：VO大，纹波小，输出功率相同时，变压器的伏安容量比全波整流小。,缺点：二极管数量多。,.,四、倍压整流电路,倍压整流电路如图159所示。适用于VO大，IO小的场合。,动态平衡后，v2正峰值附近D1导通，向CL1充电，充电电压vO1，v2负峰值附近D2导通，向CL2充电，充电电压vO2。,负载RL上的电压为半波整流电路的两倍。,同样原理可以构成多次倍压电路。,.,1.5.2串联型稳压器,一、工作原理,1组成,串联型稳压器的组成如图1-5-12(a)所示。,图1-5-12(a)串联稳压电路的组成方框图,串联型稳压器组成：调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器。,调整管功率管或复合管与负载串联。,比较放大器单管放大器、差分放大器、集成运放等。,.,串联型稳压器组成：调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器。调整管功率管或复合管与负载串联。比较放大器单管放大器、差分放大器、集成运放等。,图1-5-12(a)串联稳压电路的组成方框图,基准电压源温度系数很小的电压源电路。,比较放大器单管放大器、差分放大器、集成运放等。,.,串联型稳压器的工作原理如图1512(b)所示。,T5调整管，工作在放大区。,VB5VCE5。,R1、R2取样电路。,取样电压,基准电压VREF,由T1、T2组成的差分放大器作为比较放大器，T3、T4为有源负载。,.,当VS=VREF,VO=VI-VCE5=VREF/n,若VI或RL变化使VO增加,VOVS(VREF不变)VC2=VB5VCESVO。,反之亦然。,.,二、稳压性能,1稳压系数SV,输入电压变化VI时，输出电压的相对变化量称为稳压系数,2负载调整率SI,输入电压VI不变，输出电流变化时，输出电压的相对变化量称为负载调整率,.,3输出电阻Ro,将稳压源等效为一个电压源时的内阻。,除以上参数外，还有纹波抑制比Srip和输出电压温度系数ST等。,.,三、集成串联稳压电源,1基准电压源电路,稳压二极管构成的基准电压源电路如图1513(a)所示。,设T管的发射结和D2、D3的正向导通电压均相等，用V(on)表示。,.,基准电压VREF,VZ(68V)具有正温度系数，V(on)具有负温度系数。,.,满足时，基准电压VREF的温度系数,.,如图1513(b)所示的能隙基准电压源电路中,忽略T3管的基极电流,VT具有正温度系数，VBE(on)具有负温度系数。适当选择电阻的比值(R2/R3)，可以使VREF的温度系数为零。,.,27800系列三端式集成串联稳压电路,典型应用电路图1-5-14(a)所示。,输出电压VO固定，5V、6V、9V、。,输入电压VI一般应比输出电压高3V以上。,C1、C2消振作用。,内部电路如图1-5-14(b)所示。,.,3基准电压电路,能隙基准电路，由T1、T2、T7、R1、R3、R10及R2、T5、T6、T3、T4组成。,4比较放大器,基准电路和比