高频电子线路：第5章 非线性电路、时变参量电路和变频器

1、第五章第五章 非线性电路、时变参量电路和变频器非线性电路、时变参量电路和变频器5.1 概述概述5.2 非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法5.3 变频概述变频概述5.4 晶体管混频器晶体管混频器5.5 二极管混频器和环形混频器二极管混频器和环形混频器5.6 变频干扰变频干扰频谱搬移电路频谱搬移电路（线性频率变换）5.1 概述概述频率变换：指输出信号的频率与输入信号的频率不同，而且满足一定的变换关系。频率变换电路分为作用：将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬 移，搬移前后各频率分量的相对大小和频谱内部结构（相互间隔）保持不变。（用于变频、调幅检波）。频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路（非线

2、性频率变换）作用：将输入信号频谱进行特定的非线性变换。（用于调频、鉴频）。 5.2 非线性电路的分析方法线性元件：线性元件：元件的参数与通过元件的电流或加在元件两端的电压无关，其伏安特性曲线是直线。（电阻、电容、电感）特点：元件参数为常数，满足叠加定理，不能起频率变换作用。非线性元件：非线性元件：元件的参数与通过元件的电流或加在元件两端的电压有关，其伏安特性曲线不是直线。（二极管、晶体管、带磁心的电感）特点：特点：工作特性的非线性；不满足叠加定理；能起频率变换作用。线性电路：线性电路：由线性元件组成的电路，称为线性电路。所有元件均为线性非线性电路：非线性电路：含有一个或多个非线性元件的电路，称

3、为非线性电路。非线性元件的频率变换作用非线性元件的频率变换作用2kvi )sin1 (111tvvm)sin1 (222tvvmtvtvvvvvvmmmm22112121sinsinsinsin2sinsin)(2121222212212212ttvvtvtvvvkkvimmmmmm)cos()cos(21sinsin212121ttttI非线性电路的分析方法：非线性电路的分析方法：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。（适用于电子管）解析法：大信号检波。幂级数法：适用于混频、小信号检波。折线法：适用于高频功率放大、解析法解析法：将非线性元件

4、的特性曲线近似地表示为数学式，列出电路方程，从而解得电路中的电流和电压。（适用于晶体管）非线性电路的分析方法：非线性电路的分析方法： 303202010)()()(vvbVvbVvbbi直接采用上式分析非线性器件非常复杂；信号幅度较小时，只需取幂级数的前两项；信号幅度很大时，幂级数取至三次项甚至更高次项。幂级数法：适用于混频、小信号检波。非线性电路的分析方法：非线性电路的分析方法：折线法：适用于高频功率放大、大信号检波。ccCCtiicos1coscosmaxckt 2cos1bmBBBZcVVV0coskkCtkIi)(maxckCkiI波形分解系数，公式或查表)(ck时变跨导：时变跨导：B

5、BVCCVsv0vSOBBBEvvVvtVtVVssmoomBBcoscossmmVV0tVVvoomBBBcos静态工作点电压)(BECvfiSBBEvvv2)( 21)( )(SBSBBCvvfvvfvfi忽略二次方及以上各项：SBBCvvfvfi)( )(tItIIvfcmcmCB020102coscos)(tgtggvfB020102coscos)( 集电极电流：晶体管跨导：时，BBEvv5.3 变频概述变频概述变频：（利用非线性器件的特性）将两个不同频率的信号进行频率变换，取出其中的和频或差频。1.混频器的功能：混频器的功能：混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络混频器

6、是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络有两个输入信号：有两个输入信号： 高频调制波高频调制波 )(ssfv本地振荡信号本地振荡信号 )(00fv一个中频输出信号：一个中频输出信号：)f(vII两个输入信号与输出信号之间的关系：两个输入信号与输出信号之间的关系： 的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率：的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率： sv输输入入信信号号Iv与与输输出出信信号号s0Ifff 其中其中 输输出出高高中中频频输输出出低低中中频频ssIfffff00vo (f o)混频 器vs (f s)vI (f I)返回休息1休息2

7、其它各次谐波的组合也有可能与和、差频相等，但并不是我们要的信号设二极管的特性为：将 代入，得：其中：和频差频选频网络取出其中一个2.混频原理混频原理coscos0000vVtsssvVtvvvsv设二极管的特性为：将 代入，得：其中：和频差频选频网络取出其中一个2.混频原理混频原理coscos0000vVtsssvVtvvvsv其它各次谐波的组合也有可能与和、差频相等，但并不是我们要的信号设二极管的特性为：2.混频原理混频原理v 混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实

8、现所需的频谱线性两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实现所需的频谱线性搬移功能。搬移功能。 2max I I=o o-S S乘法器乘法器 带通滤带通滤 波器波器右图为混频器的一般结构框图。右图为混频器的一般结构框图。 v ov s 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波器ov oo-So+SvIvSS可见输出中频信号的可见输出中频信号的 Iv包络形状没有变化，只是填充频率包络形状没有变化，只是填充频率由由 s 变化成变化成 Is 0vI3.变频器的分类(1) 按 来源来分自激式变频器他激式变频器(2) 按器件分二极管混频器三极管混频器场效应管混频器差分对管混频器集成模拟乘法器混频

9、器(3) 按电路结构分单管混频器平衡混频器环形混频器因为因为混频器常作为超外差接收系统的前级，对接收机整机的噪混频器常作为超外差接收系统的前级，对接收机整机的噪声系数影响大。声系数影响大。 所以希望混频级的所以希望混频级的 越小越好。越小越好。 nF(1)变频增益：变频增益： 变频电压增益变频电压增益: sIvVVAc 输输入入高高频频电电压压振振幅幅输输出出中中频频电电压压振振幅幅变频功率增益变频功率增益 :SIPPPGC (2)噪声系数噪声系数: 功功率率比比输输出出端端中中频频信信号号的的噪噪声声功功率率比比输输入入端端高高频频信信号号的的噪噪声声 00nsnisinPPPPF4. 混频

10、器的主要性能指标混频器的主要性能指标(3) 失真与干扰失真与干扰变频器的失真主要有变频器的失真主要有 :频率失真频率失真 非线性失真非线性失真(4)选择性选择性 在混频器中，由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号在混频器中，由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号, 为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩形系数趋为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩形系数趋近于近于1。z5.对变频器的要求对变频器的要求（1）混频失真要小；）混频失真要小；（2）混频增益尤其是混频功率增益要高；）混频增益尤其是混频功率增益要高；（3）混频器本身的噪声要尽可

11、能小；）混频器本身的噪声要尽可能小；（4）抗干扰性好，能有效地抑制各种混频干扰。）抗干扰性好，能有效地抑制各种混频干扰。6.混频器的电路组成混频器的电路组成输入回路输入回路本地振荡器本地振荡器非线性器件非线性器件输出选频网络输出选频网络调谐于调谐于fs；产生混频所需要的本振信号；产生混频所需要的本振信号；起频率变换作用；起频率变换作用；调谐于调谐于fi，取得输出信号；，取得输出信号；5.4.1 电路阻态电路阻态(a) 基极输入，基极注入基极输入，基极注入(b) 基极输入，射极注入基极输入，射极注入(c) 射极输入，射极注入射极输入，射极注入(d) 射极输入，基极注入射极输入，基极注入共射电路共

12、基电路(a) 优点是需注入的本振功率较小，输入阻抗高，变频增益大，本振的负载较轻；但( 对 有影响)，容易产生频率牵引现象。(b) 优点是 和 之间的互相影响小，不容易产生频率牵引现象。但要求本振输出较大功率。共射电路共射电路 ，多用于广播、电视接收机。共基电路(c)、(d)为共基电路，高频端工作优于共射电路。 (c)、(d)容易产生频率牵引现象。 ，常用于调频接收机。共同特点 和 都是加在基极和发射极之间，并利用 和 的非线性关系(转移特性)进行频率变换。中，图1 . 6 . 5178P用冥级数分析法冥级数分析法分析得：输出电流直流项交流项：若输出取差频 则：其中：2. 工作原理和分析（图5

13、.6.1(a)）可见： 与 成正比，即经变换后，只改变信号的载频 (由 ），而保留信号原来的频谱内部结构信息。冥级数分析法：如果 在 附近的各阶导数存在则：设：转移特性为：忽略输出电压对的影响泰勒级数以 作为在 附近的微变量，则在 的变化范围内，转移特性是线性的。忽略高阶导数项：得式中：时的集电极电流时晶体管的跨导冥级数分析法：如果 在 附近的各阶导数存在则：设：转移特性为：泰勒级数以 作为在 附近的微变量，则在 的变化范围内，转移特性是线性的。忽略输出电压的影响冥级数分析法：如果 在 附近的各阶导数存在则：忽略高阶导数项：得式中：时的集电极电流时晶体管的跨导混频时： 主要 随 作周期变化，也

14、随 作周期变化。其中：是非线性 计算过程复杂用图解法近似计算5.4.3 变频器的计算：1. 变频跨导（其中， ，晶体管特征角频率）简化(1) ，忽略 的并联作用。(2) 一般 ，忽略(3) 输入回路对 谐振而对 相当于短路，所以不考虑 的作用。 得：对信号电压的跨导：可见 与 有关 与 有关当管子及信号频率选定值后 只随 改变。5.4.3 变频器的计算：1. 变频跨导（其中， ，晶体管特征角频率）简化(1) ，忽略 的并联作用。(2) 一般 ，忽略(3) 输入回路对 谐振而对 相当于短路，所以不考虑 的作用。 5.4.3 变频器的计算：1. 变频跨导得：对信号电压的跨导：可见 与 有关 与 有

15、关当管子及信号频率选定值后 只随 改变。(2) 变频输入电导输出中频回路对 可看成短路得：考虑到 ，得：(3) 变频输出跨导对中频而言，输入回路可看成短路，得：(4) 变频增益1. 电压增益2. 功率增益当 时，得：5.4.4 混频器工作状态的选择主要从变频增益、噪声和非线性失真(包括变频干扰）来考虑；(1) 振荡电压的选择对于硅管：对于锗管：一般常用晶体管的最佳振荡电压：(2) 发射极电流的选择自激式：他激式：通常：结论：混频器的噪声系数一方面取决于混频器本身的噪声，另一方面还取决于变频功率增益。混频器本身噪声愈小，变频功率增益愈大，则混频器的噪声系数愈小。 上图为典型的收音机自激式变上图为

16、典型的收音机自激式变频电路频电路,是一个是一个把本振器与混频器两把本振器与混频器两部分合并在一起的变频电路部分合并在一起的变频电路 . 在电路中由于输出端中频回路对本振信号来说阻抗很小，相在电路中由于输出端中频回路对本振信号来说阻抗很小，相当于短路，所以对本振信号来说：晶体管，当于短路，所以对本振信号来说：晶体管， 共同构成变压器互共同构成变压器互感耦合反馈振荡器。感耦合反馈振荡器。2rT晶体管混频器的电路举例晶体管混频器的电路举例5.5 二极管混频器和环形混频器1. 单二极管混频电路混频原理(利用开关函数分析法)，得：通过选频网络提取所需要得频率分量，从而实现变频特点：(2) 优点：组合频率

17、分量少(1) 缺点：全匹配条件下，电压传输系数 在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用 二极管平衡型混频器二极管平衡型混频器环形混频器环形混频器优点：优点：噪声低，电路简单，组合分量少。噪声低，电路简单，组合分量少。开关函数分析法:条件：小信号：振幅足够大的信号二极管D有理想特点并主要受大信号 的控制，工作于开关状态。开关函数为周期函数用傅立叶级数展开，得：二极管导通时的内阻2. 二极管平衡混频器平衡混频器中总电流式中包含 频率项，可以实现变频特点：1. 无 项，电流中不包含 等分量，比单管混频器输出频率分量更少。2. 等效电路和指标参数都与单

18、管时相同。5.5.3. 环形混频器（双平衡混频器）环形混频器（双平衡混频器） 自学自学5.5.4 集成模拟相乘器混频电路集成模拟相乘器混频电路 自学自学由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件的信号由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件的信号将含有许多频率成份将含有许多频率成份 sqfpf 0, (p,q=0,1, 2,3,.)vS（f S）v o（f o）v I（f I）v n（f n）非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器vL（ )sqfpf 0如果设输入信号为如果设输入信号为 )(ssfv,本振频率信号为本振频率信号为 )(00fv则通过则通过 非线性元件

19、的信号非线性元件的信号 s0Lqfpfv ，其中，其中 2 , 1 , 0, qp而而这这 些组合频率的信号中只要和中频频率些组合频率的信号中只要和中频频率 sIfff 0相同或接近，相同或接近， 都会和有用信号一起被选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引都会和有用信号一起被选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。 5.6 混频器的干扰混频器的干扰一般混频器存在下列干扰：一般混频器存在下列干扰： (1)干扰哨声：接收的射频信号干扰哨声：接收的射频信号 )(ssfv与本振信号与本振信号

20、)(00fv的自身组合干扰，即的自身组合干扰，即 BfqfpfIs210 BfI(2)副波道干扰：外来干扰信号副波道干扰：外来干扰信号 )f(vnn与本振信号与本振信号 )(00fv的组合频率产生的干扰的组合频率产生的干扰 BfqfpfIn210 (3)交叉调制干扰：有用信号交叉调制干扰：有用信号 )f(vss与干扰信号与干扰信号 )f(vnn混频产生的干扰。混频产生的干扰。 (4)互调干扰：指两个或多个信号同时作用在混频器互调干扰：指两个或多个信号同时作用在混频器输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。 (5)阻塞干扰阻塞干扰(6)倒易混频倒易混频

21、 设输入高频信号的载频为设输入高频信号的载频为 )(ssfv，本振信号，本振信号 )(00fv，则，则 经过混频器后产生的频率为经过混频器后产生的频率为 sqfpf 0，其中，其中 p,q=0,1,2,1.信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）如果中频如果中频 sIfff 0，则除，则除 sff 0的中频被选出外，还的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即有可能选出其它的组合频率：即 Is0I0sIs0fqfpffpfqffqfpf IsIsII0sfq1pfqpfq1)ff(qpfq1fqpf 所以有所以有 Isfpq1pfpq1pffIs 其中其中 Isff称为称为变频比变频比。

22、显然显然当变频比一定时，并能找到对应的整数当变频比一定时，并能找到对应的整数p, q时，就会形成自身组时，就会形成自身组合干扰。合干扰。 例：调幅广播接收机的中频例：调幅广播接收机的中频 KzfI465 ，某电台发射频率，某电台发射频率 Kz931fs 当接收该电台广播时，接收机的本振频率当接收该电台广播时，接收机的本振频率 KzfffsI13960 由于变频比由于变频比 2465931 Isff可推算出：可推算出： 当当 1 p， 2 q，可得，可得 KHzffs4661396931220 由于组合频率与中频差由于组合频率与中频差 1KHz，经检波后可产生，经检波后可产生1KHz的哨声的哨声

23、.（三阶干扰）（三阶干扰）.另外，当另外，当 p=3,q=5时，可得：时，可得： KHzffs467350 ,也可也可以通过中频通道而形成干扰。（以通过中频通道而形成干扰。（8阶干扰）阶干扰）。 注意点注意点:(1)自身组合干扰与外来干扰无关，不能靠提高前级电路的选择性来抑制。自身组合干扰与外来干扰无关，不能靠提高前级电路的选择性来抑制。 (2)减少这种干扰的方法：减少这种干扰的方法： 正确选择中频，尽量减少阶数较低的干扰正确选择中频，尽量减少阶数较低的干扰 正确选择混频器的工作点，减少组合频率分量正确选择混频器的工作点，减少组合频率分量 采用合理的电路形式，从电路上抵消一些组合频率，采用合理

24、的电路形式，从电路上抵消一些组合频率， 如平衡电路，环形电路，乘法器。如平衡电路，环形电路，乘法器。 适当减小信号幅度，可加适当减小信号幅度，可加AGC电路电路设串台干扰信号为设串台干扰信号为 )f(vnn，它与本振信号的组合频率为：，它与本振信号的组合频率为： nqfpf 0其中其中 p,q=0,1,2,3. 。如果选频器所选择的正常中频信号为。如果选频器所选择的正常中频信号为:2.外干扰信号与本振的组合频率干扰（外干扰信号与本振的组合频率干扰（组合副波道干扰组合副波道干扰）sIfff 0则可能形成的副波道干扰为：则可能形成的副波道干扰为： I0nIn0fpfqffqfpf IsInfppf

25、qfpfqf)1(110 可见，可见，凡是能满足上式的串台信号都可能形成干扰，在这类干扰中主要有：凡是能满足上式的串台信号都可能形成干扰，在这类干扰中主要有：中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰。 (1)中频干扰中频干扰当当 p=0 , q=1时，时， Inff 即即表明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器，可以直接通过混表明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器，可以直接通过混频器进入中放电路，并被放大、解调后在输出端形成干扰频器进入中放电路，并被放大、解调后在输出端形成干扰抑制中频干扰的方法：抑制中频干扰的方法： 提高混频器前级的选择性提高混频器前级的

26、选择性在混频器前级增加中频吸收电路在混频器前级增加中频吸收电路 合理选择中频数值，合理选择中频数值，中频选在工作波段之外中频选在工作波段之外当当 p=1 , q=1时，则有：时，则有： )ff(fff)ff(fffs0I0ns0I0n或或f s f o f nf I虽然这种干虽然这种干扰信号频率扰信号频率 nf与输入信号频率与输入信号频率 sf以本振频率以本振频率 0f为对称轴形成镜像对称的关系。为对称轴形成镜像对称的关系。(2)镜像频率干扰f I抑制镜像干扰的方法：抑制镜像干扰的方法： 提高混频前级的选择性提高混频前级的选择性 提高中频频率，使镜像干扰频率提高中频频率，使镜像干扰频率 nf远

27、离远离 sf例：中央台第一套节目的载波为例：中央台第一套节目的载波为 Kzfs639 , 那么收音机在接收此那么收音机在接收此节目时的本振频率节目时的本振频率 KzKzfffsI11044656390 ,如果有一外来如果有一外来 电台的频率电台的频率 Kz1569465Kz1104fffIOn ,在混频级之前没有被在混频级之前没有被 抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得 Kz465ff0n 的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰，产生串台及啸叫。的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰，产生串台及啸叫。 现象：现象：当接收机调谐在有用信号时，也听到干扰

28、的声音；若接收机对有用信号失谐当接收机调谐在有用信号时，也听到干扰的声音；若接收机对有用信号失谐时，干扰也随之减弱；当有用信号消失时，干扰也随之消失。这种现象犹如时，干扰也随之减弱；当有用信号消失时，干扰也随之消失。这种现象犹如干扰信号干扰信号“调制调制”在所接收信号的载频上，故称之为交叉调制干扰。在所接收信号的载频上，故称之为交叉调制干扰。 交叉调制干扰的形成与本振无关交叉调制干扰的形成与本振无关。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，由混频器的非线性作用，将干扰的调制信号转移到有用信号的载波上而形成的一种干扰。由混频器的非线性作用，将干扰的调

29、制信号转移到有用信号的载波上而形成的一种干扰。 3.交叉调制干扰（交调干扰）交叉调制干扰（交调干扰）交调干扰的特点：交调干扰的特点： (2)与干扰的载频无关，任何频率的强干扰都可能形成交调干扰，所以交与干扰的载频无关，任何频率的强干扰都可能形成交调干扰，所以交调干扰是危害较大的一种干扰。调干扰是危害较大的一种干扰。 只有当只有当 nf与与 sf相差很大，受前级电路的抑制很彻底时相差很大，受前级电路的抑制很彻底时, 形成的干扰较小。形成的干扰较小。 (1)交调干扰与有用信号并存交调干扰与有用信号并存，通过有用信号而作用，一旦有用信号，通过有用信号而作用，一旦有用信号 0 sv，交调干扰也消失。，

30、交调干扰也消失。 (3)混频器中，除了非线性特性的混频器中，除了非线性特性的3次方项以外，次方项以外，更更 高的次方项也可以高的次方项也可以产生交调干扰，但一般由于幅值较小，可以不考虑。产生交调干扰，但一般由于幅值较小，可以不考虑。 抑制交调干扰的措施：抑制交调干扰的措施： 提高前级电路的选择性提高前级电路的选择性选择合适的器件，合适的工作点，使不需要的非线性项尽可能选择合适的器件，合适的工作点，使不需要的非线性项尽可能小，以减少组合分量。小，以减少组合分量。 非线形非线形 元件元件 中频滤中频滤 波器波器Vn1（fn1）V o（fo）i oV I（fI）Vn2（fn2） 互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，由互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，由混频器的非线性作用，混频器的非线性作用，两个干扰信号之间产生混频两个干扰信号之间产生混频，当混频