高频电子线路ch课件.ppt

关于高频电子线路ch第1页，此课件共44页哦2学习目的学习目的1 1、掌握非线性电路的主要特点与分析方法；、掌握非线性电路的主要特点与分析方法；2 2、掌握线性时变参量电路的分析方法；、掌握线性时变参量电路的分析方法；3 3、掌握混频的原理。、掌握混频的原理。重点重点：非线性、线性时变参量电路和混频原理。：非线性、线性时变参量电路和混频原理。难点难点：线性时变参量电路分析法、变频器的工：线性时变参量电路分析法、变频器的工 作原理。作原理。第2页，此课件共44页哦34.14.1 概概 述述4.1.1 4.1.1 非线性电路的基本概念非线性电路的基本概念电路电路是若干无源元件元件或（和）有源元件元件的有序联结体。它可以分为线性线性与非线性非线性两大类。1 1、从元件角度：、从元件角度：线性元件：线性元件：元件的值与加于元件两端的电压或电流大小无关。例如：R，L，C。非线性元件非线性元件：元件的值与加于元件两端的电压或电流大小有关。例如：晶体管的 ，变容管的结电容 。时变参量元件时变参量元件：元件的参数按一定规律随时间变化时。例如：变频器的变频跨导 。实际上，绝大多数物理器件，作为线性元件工作是有条件的，实际上，绝大多数物理器件，作为线性元件工作是有条件的，或者是近似的。或者是近似的。第3页，此课件共44页哦4 2 2、从电路角度：、从电路角度：线性电路线性电路：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式或线性微分方程表示。线性电路的主要特征是线性电路的主要特征是具有叠加性和均匀性。具有叠加性和均匀性。非线性电路非线性电路：非线性电路中至少包含一个非线性元件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（非线性代数方程或超越方程）或非线性微分方程表示。非线性电路不具有叠加性与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均匀性。这是它与线性电路的重要区别。第4页，此课件共44页哦5 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，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。也可能不再出现输入信号中的某些频率成分。这是非线性电路的重要特这是非线性电路的重要特性性。时变参量电路：时变参量电路：若电路中仅有一个参量受外加信号的控制而按一定规律变化时，称这种电路为参变电路，外加信号为控制信号。例如：模拟相乘器与变频器。第5页，此课件共44页哦64.24.2 非线性电子线路的特点非线性电子线路的特点本节以非线性电阻为例，讨论非线性元件的特性。本节以非线性电阻为例，讨论非线性元件的特性。其特点：其特点：1 1、工作特性的非线性性、工作特性的非线性性 2 2、不满足叠加原理、不满足叠加原理 3 3、具有变频能力、具有变频能力 所得结论也适用于其它非线性元件。所得结论也适用于其它非线性元件。1 1、非线性元件的工作特性、非线性元件的工作特性线性元件：电阻线性元件：电阻R=V/IR=V/I比例常数就是电阻，与比例常数就是电阻，与V V、I I 无关，取决与元件的材料与尺寸。无关，取决与元件的材料与尺寸。第6页，此课件共44页哦7线性电阻：如图为伏安特性曲线。第7页，此课件共44页哦8非线性电阻：如图为伏安特性曲线。非线性电阻：如图为伏安特性曲线。静态直流电阻：动态电阻：所以，非线性电阻有静态和动态两个电阻值，它们都与所以，非线性电阻有静态和动态两个电阻值，它们都与工作点有关。动态电阻可能是正也可能是负。工作点有关。动态电阻可能是正也可能是负。P128.第8页，此课件共44页哦9非线性元件非线性元件 常用的非线性元件有半导体二极管、双极型常用的非线性元件有半导体二极管、双极型半导体三极管、各类场效应管和变容二极管等。半导体三极管、各类场效应管和变容二极管等。它们的特性曲线的函数关系大体上可分为指数函数它们的特性曲线的函数关系大体上可分为指数函数和幂函数两大类。和幂函数两大类。第9页，此课件共44页哦10 变电容半导体二极管（简称变容管）的工作原理和特性：变容管是利用PN结来实现的。变容管利用的是势垒电容。PN结是反向偏置的。V=0时变容管的等效电容为 变容指数是 ，它是一个取决于PN结的结构和杂质分布情况的系数。缓变结变容管，其 =1/3。突变结变容管，其 =1/2。超突变结变容管，其 =2。接触电位差为：第10页，此课件共44页哦114.2.24.2.2 非线性元件的频率变换作用非线性元件的频率变换作用1 1、线性元件、线性元件 如果在一个线性电阻元件上加某一频率的正如果在一个线性电阻元件上加某一频率的正弦电压，那么在电阻中就会产生一个同频率弦电压，那么在电阻中就会产生一个同频率的正弦电流。的正弦电流。第11页，此课件共44页哦12加上一个正弦电压加上一个正弦电压同频率的正弦电流同频率的正弦电流产生产生第12页，此课件共44页哦13加上一个正弦电压加上一个正弦电压产生产生不同频率的非正弦电流不同频率的非正弦电流2 2、非线性元件、非线性元件第13页，此课件共44页哦14当该元件上加两个正弦电压当该元件上加两个正弦电压即可求出通过元件的电流为即可求出通过元件的电流为产生新频率成分：产生新频率成分：（课本（课本130页页4.2.8）2 2、非线性元件、非线性元件 举例：设非线性电阻的伏安特性曲线具有抛物举例：设非线性电阻的伏安特性曲线具有抛物线形状，即：线形状，即：第14页，此课件共44页哦154.2.34.2.3 非线性电路不满足叠加原理非线性电路不满足叠加原理则会出现组合频率成分：则会出现组合频率成分：对比式对比式4.2.84.2.8，显然是不同的。，显然是不同的。第15页，此课件共44页哦164.3 4.3 非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法 4.2.1 4.2.1 非线性电路与线性电路分析方法的异同点非线性电路与线性电路分析方法的异同点 线性电路具有叠加性和均匀性。线性电路具有叠加性和均匀性。非线性电路不具有叠加性和均匀性。非线性电路不具有叠加性和均匀性。线性系统传输特性只由系统本身决定，与激励信号无关。线性系统传输特性只由系统本身决定，与激励信号无关。而非线性电路的输出输入特性则不仅与系统本身有关，而非线性电路的输出输入特性则不仅与系统本身有关，而且与激励信号有关。而且与激励信号有关。基尔霍夫电流和电压定律对非线性电路和线性电路均适用。基尔霍夫电流和电压定律对非线性电路和线性电路均适用。第16页，此课件共44页哦17 线性电路可以用线性微分方程求解并可以方便地进行电路线性电路可以用线性微分方程求解并可以方便地进行电路 的频域分析。的频域分析。但是，由于非线性电路要用非线性微分方程表示但是，由于非线性电路要用非线性微分方程表示，因此对因此对非线性电路进行频域分析与是比较困难的。非线性电路进行频域分析与是比较困难的。只能针对某一类非线性电路采用对它比较合适的分析手只能针对某一类非线性电路采用对它比较合适的分析手 段（非线性电阻电路）。段（非线性电阻电路）。第17页，此课件共44页哦181 1、幂级数分析法、幂级数分析法 小信号运用时，某些非线性器件的传输特性可用小信号运用时，某些非线性器件的传输特性可用幂级数近似。将非线性电阻电路的输出输入特性用幂级数近似。将非线性电阻电路的输出输入特性用一个一个N N阶幂级数近似表示，借助幂级数的性质，实阶幂级数近似表示，借助幂级数的性质，实现对电路的解析分析现对电路的解析分析。用于小信号检波、小信号调幅等方面。用于小信号检波、小信号调幅等方面。第18页，此课件共44页哦192 2、折线法、折线法非线性特性的折线化非线性特性的折线化:(1)(1)以一条或多条直线近似；以一条或多条直线近似；(2)(2)仅对大信号工作适用（小信号时失真大）。仅对大信号工作适用（小信号时失真大）。对于晶体二极管、三极管，当对于晶体二极管、三极管，当v vs s0.5V(0.5V(较大较大)时，采时，采用幂级数法，误差增加，要求级数项数多。用幂级数法，误差增加，要求级数项数多。第19页，此课件共44页哦201 1、幂级数分析法、幂级数分析法 将非线性电阻电路的输出输入特性用一个N阶幂级数近似表示，借助幂级数的性质，实现对电路的解析分析。例如，设非线性元件的特性用非线性函数 来描述。如果 i=的各阶导数存在，则该函数可以展开成以下幂级数：若函数 在静态工作点 附近的各阶导数都存在，也可在静态工作点 附近展开为幂级数。这样得到的幂级数即泰勒级数：第20页，此课件共44页哦21 该幂级数（泰勒级数）各系数分别由下式确定，即：iv0式中，是静态工作点电流，是静态工作点处的电导，即动态电阻 r 的倒数。一般来说，要求近似的准确度越高及特性曲线的运用范围愈宽，则所取的项数就愈多。第21页，此课件共44页哦22 下面我们再用一个稍微复杂一些的例子来说明幂级数分析法的具体应用。设非线性元件的静态特性曲线用下列三次多项式来表示：加在该元件上的电压为：求出通过元件的电流 i(t)，再用三角公式将各项展开并整理，得：第22页，此课件共44页哦23第23页，此课件共44页哦24上式说明了电流 I 中所包含的全部频谱全部频谱成份。根据这个结果，可以看出如下可以看出如下规律规律：（1）由于特性曲线的非线性，输出电流中产生了输入电压中不曾有的新的频率成份：输入频率的谐波输入频率的谐波 和 ，和 ；输入频率及其谐波所形成的各种组合频率输入频率及其谐波所形成的各种组合频率：（2）由于表示特性曲线的幂多项式最高次数等于三，所以电流中最高谐波次数不超过三最高谐波次数不超过三，各组合频率系数之和最高也各组合频率系数之和最高也不超过三不超过三。一般情况下，设幂多项式最高次数等于n，则电流中最高谐波次数不超过n；若组合频率表示为：则有：第24页，此课件共44页哦25（3）电流中的直流成分，偶次谐波以及系数之和（即电流中的直流成分，偶次谐波以及系数之和（即p+q）为偶数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数）为偶数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的偶次项系数（包括常数项）有关，而与奇次项系数无关；的偶次项系数（包括常数项）有关，而与奇次项系数无关；类似地，奇次谐波以及系数之和为奇数的各种组合频率成类似地，奇次谐波以及系数之和为奇数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的奇次项系数有关，而与偶次项分，其振幅均只与幂级数的奇次项系数有关，而与偶次项系数无关。例如，在上式中，基波振幅均与系数无关。例如，在上式中，基波振幅均与 有关，有关，而与而与 、无关，三次谐波及组合频率：无关，三次谐波及组合频率：的振幅均只与的振幅均只与 有关，而与有关，而与 、无关；而直流成分无关；而直流成分均只与均只与 、有关，而与有关，而与 、无关；二次谐波以无关；二次谐波以及组合频率及组合频率 的振幅均只与的振幅均只与 有关，而有关，而与与 、无关。无关。第25页，此课件共44页哦26（4）m次次谐谐波波（直直流流成成分分可可视视为为零零次次，基基波波可可视视为为一一次次）以以及及系系数数之之和和等等于于m的的各各组组合合频频率率成成分分。其其振振幅幅只只与与幂幂级级数数中中等等于于及及高高于于m次次的的各各项项系系数数有有关关。例例如如，在在上上式式中中，直直流流成分与成分与 、都有关，而二次谐波以及组合频率为都有关，而二次谐波以及组合频率为的各成分其振幅却只与的各成分其振幅却只与 有关，而与有关，而与 无关。无关。（5）所所有有组组合合频频率率都都是是成成对对出出现现的的。例例如如，有有 就就一一定有定有 ；有；有 就一定有就一定有 等。等。掌掌握握以以上上规规律律是是重重要要的的。我我们们可可以以利利用用这这些些规规律律，根根据据不不同同的的要要求求，选选用用具具有有适适当当特特性性的的非非线线性性元元件件，或或者者选选择择合合适适的的工工作作范范围围，以以得得到到所所需需要要的的频频率率成成分分，而而尽尽量量减减弱弱甚甚至至消除不需要的频率成分。消除不需要的频率成分。第26页，此课件共44页哦27第27页，此课件共44页哦28输入信号频谱输入信号频谱输出电流信号频谱输出电流信号频谱第28页，此课件共44页哦294.4 4.4 线性时变参量电路分析法线性时变参量电路分析法线性时变电路：线性时变电路：指电路元件的参数不是恒定不变的，指电路元件的参数不是恒定不变的，而是按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的而是按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。电流或电压无关。在高频小信号放大器分析中，若基极输入的小在高频小信号放大器分析中，若基极输入的小信号电压振幅为信号电压振幅为 ，则晶体管在小信号工作状态，则晶体管在小信号工作状态下的电流可写为下的电流可写为:第29页，此课件共44页哦30icic若设法使若设法使 则可实现频率变换则可实现频率变换的可能。的可能。第30页，此课件共44页哦31vBvBEic同时作用与晶体管的两端同时作用与晶体管的两端第31页，此课件共44页哦vBvBEic第32页，此课件共44页哦33第33页，此课件共44页哦34第34页，此课件共44页哦354.4.2 模拟乘法器电路分析模拟乘法器电路分析 模拟乘法器可应用于：模拟乘法器可应用于：等各种技术领域等各种技术领域第35页，此课件共44页哦361.模拟相乘器的基本概念模拟相乘器的基本概念 模拟乘法器具有两个输入端（常称模拟乘法器具有两个输入端（常称X输入和输入和Y输入）和输入）和一个输出端（常称一个输出端（常称Z输出），输出），是一个三端口网络，电路符是一个三端口网络，电路符号如右图所示：号如右图所示：uxuyuZXYZ 理想乘法器：理想乘法器：uz(t)=Kux(t)uy(t)式中：式中：K为增益系数或标度因子，为增益系数或标度因子，单位：单位：，K的数值与乘法器的电路参数有关。的数值与乘法器的电路参数有关。或或Z=KXY第36页，此课件共44页哦37 相乘器相乘器 kv1v2vO输入信号频谱输入信号频谱输出信号频谱输出信号频谱差分对模拟乘法器电路分析差分对模拟乘法器电路分析第37页，此课件共44页哦382.2.单差分对电路单差分对电路ic1ic2io则：差分输出电流为：则：差分输出电流为：第38页，此课件共44页哦39当vi2VT时，ic1ic2io第39页，此课件共44页哦40开关工作状态开关工作状态u10时二极管导通时二极管导通u10时二极管截止时二极管截止4.4.4 开关函数分析法开关函数分析法第40页，此课件共44页哦41+vd-idv2S(t)ididid第41页，此课件共44页哦42应用举例：应用举例：如如1：调制：调制如如2：变频：变频第42页，此课件共44页哦43 4.14.24.34.104.174.184.19作作 业业 第43页，此课件共44页哦感感谢谢大大家家观观看看第44页，此课件共44页哦