高频电子线路张肃文第五版Chapter4非线性电课件

§4.1

非线性电路的特性及分析方法§4.2

线性时变参量电路分析§4.3

变频电路§4.4混频器中的干扰Chapter4

非线性电路、时变

参量电路和变频器2023/10/71§4.1非线性电路的特性及分析方法Chapter4线性元件非线性元件工作特性频率变换作用叠加原理满足不满足无频率变化产生新的频率直线关系正向：指数曲线反向：数值很小的反向饱和电流§4.1

非线性电路的特性及分析方法一、非线性元器件的特性2023/10/72线性元件非线性元件工作特性频率变换作用叠加原理满足不满足无频二、非线性电路的分析方法图解法解析法——工程近似分析法非线性元件时变参量元件幂级数分析法指数函数分析法折线分析法线性时变电路分析法开关函数法工程近似分析法2023/10/73.二、非线性电路的分析方法图解法解析法——工程近似分析法非线性1)幂级数分析法

常用的非线性元件的特性曲线均可用幂级数表示，如：

利用泰勒级数展开：静态工作点电流静态工作点处的电导2023/10/741)幂级数分析法常用的非线性元件的特性曲线均可用幂级数表幂级数分析法级数过多的时候，必将给计算带来很大的麻烦：（1）若信号很小，且只工作在特性曲线比较接近于直线的部分解决办法：只取幂级数的前两项（2）如果作用于非线性元件上的电压只工作于特性曲线的起始弯曲部分解决办法：只取幂级数的前三项（3）如果加在非线性元件上的信号很大，特性曲线运用范围很宽解决办法：只取幂级数的三次项或者更高项2023/10/75幂级数分析法级数过多的时候，必将给计算带来很大的麻烦：2022)折线分析法

适用于大信号情况。

在大信号条件下，忽略ic～uB非线性特性尾部的弯曲部分，由AB、BC两个直线段所组成的折线来近似代替实际的特性曲线，而不会造成多大的误差。

用数学式表示为：其中：VBZ—晶体管特性曲线折线化后的截止电压

gc—跨导，即直线BC的斜率2023/10/76Copyrights®yaoping.Allrightsreserved.2)折线分析法适用于大信号情况。在大信号条件下，忽略晶体管的电流源(小信号工作状态)：1)线性时变电路分析法§4.2

线性时变参量电路分析法时变参量元件：其参数按照某一方式随时间变化而变化的线性元件①时变跨导电路分析法按简谐振荡规律改变晶体管工作点，从而改变其跨导。②模拟乘法器电路分析法利用差分对乘法器组成集成电路的一种分析方法。2023/10/77晶体管的电流源(小信号工作状态)：1)线性时变电路分析法§42)开关函数法：

适用于器件反向偏置的情况。

利用傅里叶级数展开，有：2023/10/782)开关函数法：适用于器件反向偏置的情况。利用傅里叶以及直流分量，从而实现了变频。电流i中包含的频谱成分：，v2

的偶次谐波频率2023/10/79以及直流分量，从而实现了变频。电流i中包含的频谱成分：例5.2若某非线性元件的伏安特性为试问：能否用该元件进行变频、调幅和振幅检波？为什么？分析：若能进行调幅、检波的话，电流

i

中必须含有其中为高频载波频率，是低频信号频率。电流

i

中却不含有故不能用它进行变频，调幅与振幅检波。2023/10/710例5.2若某非线性元件的伏安特性为试问：能否用该元件进行变频§4.3

变频电路1基本概念

2

晶体三极管混频器3

二极管平衡混频器和环型混频器4

模拟相乘器混频电路2023/10/711§4.3变频电路1基本概念 2023/8/511一、基本概念1.混频器的组成

混频：对信号进行频率变换，将其载频变换到某一

固定频率上，而保持原信号的特征不变。混频器的电路组成如图所示如调幅规律中频1.7~6MHz2.165~6.465MHz0.465MHz2023/10/712Copyrights®yaoping.Allrightsreserved.一、基本概念1.混频器的组成混频：对信号进行频率变换，2.为什么要变频？变频的优点：①变频可提高接收机的灵敏度变频的缺点：容易产生镜像干扰、中频干扰等③工作稳定性好④波段工作时其质量指标一致性好②提高接收机的选择性2023/10/7132.为什么要变频？变频的优点：变频的缺点：③工作稳定性好②3.变频器的分类按器件分：二极管混频器、晶体管混频器(变频器)、场效应管混频器(变频器)、差分对混频器按工作特点分：单管混频、平衡混频、环型混频从两个输入信号在时域上的处理过程看：叠加型混频器、乘积型混频器2023/10/7143.变频器的分类按器件分：二极管混频器、晶体管混频器(变频4.混频器的性能指标⑤工作稳定性：本地振荡器的频率稳定度。①变频(混频)增益Avc②噪声系数NF③选择性：抑制中频信号以外的干扰信号的能力。④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。2023/10/7154.混频器的性能指标⑤工作稳定性：本地振荡器的频率稳定度叠加型混频器实现模型

图示中的非线性器件具有如下特性：对其2次方进行分析：

在二次方项中出现了和的相乘项，因而可以得到(

0+

s)和(

0-

s)。若用带通滤波器取出所需的中频成分，可达到混频的目的。5.混频器实现模型⑴叠加型和频或差频2023/10/716叠加型混频器实现模型图示中的非线性器件具有如下特性：对其所用非线性器件的不同，叠加型混频器有下列几种：①晶体三极管混频器：具有一定的混频增益②场效应管混频器：交调、互调干扰少③二极管平衡混频器和环形混频器动态范围大、组合频率干扰少叠加型混频器2023/10/717所用非线性器件的不同，叠加型混频器有下列几种：①晶体三极管混乘积型混频器实现模型由模拟乘法器和带通滤波器组成设输入信号为普通调幅波

采用中心频率不同的带通滤波器(

0–

s)t或(

0+

s)t则可完成低中频混频或高中频混频。⑵乘积型2023/10/718乘积型混频器实现模型由模拟乘法器和带通滤波器组成设输入信号为

在混频过程中，跨导随振荡电压作周期性变化，混频管可看成线性参变元件。当高频信号通过线性参变元件时，便产生各种频率分量，达到变频的目的。二、晶体三极管混频器

1.

基本电路和工作原理VBB—基极偏置电压VCC—集电极直流电压L1C1—组成输入回路，谐振于输入信号频率

sL2C2—组成输出中频回路，谐振于中频

i=0–s

其中：2023/10/719在混频过程中，跨导随振荡电压作周期性变化，混频管可看晶体管混频器的四种基本电路：

图(a)中，输出阻抗较大，易起振，所需本地振荡注入功率较小。但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。

图(b)

产生牵引现象的可能性小，振荡波形好，失真小，但需要较大的本振注入功率。

图(c)和(d)中，低频时，变频增益低，输入阻抗也较低(一般都不采用)；高频(几十MHz)时，变频增益较大(采用)。2023/10/720晶体管混频器的四种基本电路：图(a)中，输出阻抗较大，易

在晶体管混频器的分析中，我们将晶体管视为一个跨导随本振信号变化的线性参变元件。

因V0>>Vsm,晶体管工作在线性时变状态，所以晶体管集电极静态电流ic(t)和跨导gm(t)均随v0

作周期性变化。2.分析方法——变跨导分析法加电压后的晶体管转移特性曲线v0vs2023/10/721在晶体管混频器的分析中，我们将晶体管视为一个跨导随本振信

由于vs<<v0，可以近似认为其对器件的工作状态变化没有影响。此时流过器件的电流为将v0+VBB看成器件的交变工作点，则i(t)可在其工作点(v0+VBB)处展开为泰勒级数由于vs的值很小，忽略二次方及其以上各项，则时变静态电流I0(t)时变跨导g(t)2023/10/722由于vs<<v0，可以近似认为其对器件的工作状态变化没有则混频后输出的中频电流为其振幅为2023/10/723则混频后输出的中频电流为其振幅为2023/8/523

由上式引出变频跨导gc的概念，定义为

输出的中频电流振幅Ii与输入高频信号电压的振幅Vsm成正比。若高频信号电压振幅Vsm按一定规律变化，则中频电流振幅Ii也按相同的规律变化。由实验得出：2023/10/724由上式引出变频跨导gc的概念，定义为输出的中频电流振故混频电压增益3.混频器的增益混频功率增益若电路匹配，使goc=GL，则可得到最大混频功率增益2023/10/725故混频电压增益3.混频器的增益混频功率增益若电路匹配，使go例4.3用晶体管3DG8D组成混频电路。已知工作点的发射级电流IE=0.5mA，本振电压为150mV，信号频率fs=40MHz，中频频率fi=1.5MHz，中频负载电导GL=1mS。在工作频率时，输入电导gic=430μS,输出电导goc=10μS。试求：变频跨导gc

，变频电压增益Avc和功率增益Apc

。(已知3DG8D的特征频率fT≥150MHz，rbb́≤15Ω)解：2023/10/726例4.3用晶体管3DG8D组成混频电路。已知工作点的试求：变三极管混频器优点：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2023/10/727三极管混频器二极管混频器2023/8/527小信号时，混频时输入信号VD=Vs+V0

二极管的伏安特性可用幂级数表示：1.平衡混频器三、二极管平衡混频器和环型混频器

为简化分析，忽略输出电压对二极管的反作用，则+++----++-2023/10/728小信号时，混频时输入信号VD=Vs+V0二极管的伏安特性利用三角公式展开，并分类整理，可得当vD很小时，级数可只取前四项，得2023/10/729利用三角公式展开，并分类整理，可得当vD很小时，级数可只取前

单管输出电流中频率为：输入频率的谐波2

0和2

s、3

0和3

s；输入频率及其谐波所形成的各种组合频率

0±

s、

0±2

s、2

0±

s。平衡混频器输出电流的频率成份为：

s、

0±

s、2

0±

s、

3

0i1、i2以相反方向流过输出端变压器初级，故变压器次级负载电流il1=i1–i2

同理可得：

故平衡混频器抑制了许多组合频率，大大减小了组合频率的干扰。2023/10/730单管输出电流中频率为：输入频率的谐波20和2s、3例5.4如图所示电路中，二极管D1和D2特性相同，都为i=kv2,k为常数。试求输出电压vo的表示式(v1和v2均已知)。解：设流过两个二极管的电流分别为i1，i2，则：2023/10/731例5.4如图所示电路中，二极管D1和D2特性相同，都为i=k2.

环形混频器+_2023/10/7322.环形混频器+_2023/8/5322023/10/7332023/8/533由平衡混频器得：环型混频器输出电流的频率成份为：

n0±

ms故在实际应用中，环型混频器比平衡混频器更优越。(n和m均为奇数)2023/10/734由平衡混频器得：环型混频器输出电流的频率成份为：n0

MCI596构成的集成混频电路四、模拟相乘器混频电路2023/10/735MCI596构成的集成混频电路四、模拟相乘器混频电路20

作业：

4-15作业：361.组合频率干扰：有用信号和本振产生的组合频率干扰混频器的输出信号中所包含的各种频率分量为：p，q为任意正整数，分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。★只有p=q=1对应的频率为f0-fs的分量是所需要的中频信号。

如果某些组合频率落在谐振回路的通频带内，这些组合频率分量就和有用的中频分量一样，通过中放进入检波器，并在检波电路中与有用信号产生差拍，这时在接收机的输出端将产生哨叫声，形成有害的干扰。这种干扰又称为哨声干扰。即当时会产生干扰哨叫。§4.4

混频器中的干扰★2023/10/7371.组合频率干扰：有用信号和本振产生的组合频率干扰混频器的输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，除了要接收的有用信号外，干扰信号也会进入混频器。当干扰频率fn与本振频率f0满足会产生组合副波道干扰。2023/10/7382、外来干扰信号和本振产生的干扰(1)组合副波道干扰如(2)

副波道干扰

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。这种干扰主要有中频干扰(fn≈fi

)和镜像干扰(fn≈fs+2fi

)。①中频干扰干扰信号的频率等于或接近fi时的干扰。②镜像频率干扰外来干扰信号的频率时的干扰。形成镜像对称关系2023/10/739(2)副波道干扰在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的3、其他类型的干扰(1)交叉调制(交调)干扰产生的原因：由混频器3次方以上的非线性传输特性产生的。现象：当所接收电台的信号和干扰电台信号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。2023/10/740Copyrights®yaoping.Allrightsreserved.3、其他类型的干扰(1)交叉调制(交调)干扰产生的原因：由混(2)互相调制(互调)干扰

当两个或两个以上的干扰进入到混频器的输入端时，它们与本振电压v0一起加到混频管的发射结。由于器件的非线性作用，它们将产生一系列组合频率分量。如果某些分量的频率等于或接近于中频时，就会形成干扰，称为互调干扰。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。产生的原因：由非线性器件二次方以上的特性引起的。存在二阶互调和三阶互调及高阶互调。2023/10/741(2)互相调制(互调)干扰当两个或两个以上的干扰进入到混(3)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，会使前端电路内放大器或混频器的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。产生的原因：①强干扰作用下晶体管特性曲线非线性所引起的阻塞；②强干扰破坏了晶体管的工作状态，管子产生假击穿。(4)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。2023/10/742(3)阻塞干扰当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由