第二章 非线性 优秀PPT.ppt

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1、第二章 非线性 第一页，本课件共有35页1.1.用解析函数描述用解析函数描述2.6.1 2.6.1 非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法-描述器件的伏安特性描述器件的伏安特性指数函数指数函数双极型晶体管（正向导通时）双极型晶体管（正向导通时）根据输入信号的大小，一般可用三种近似方法来描述根据输入信号的大小，一般可用三种近似方法来描述 非线性器件的特性非线性器件的特性第二页，本课件共有35页平方律关系平方律关系场效应管（工作在饱和区或恒流区时）场效应管（工作在饱和区或恒流区时）第三页，本课件共有35页晶体管差分放大器晶体管差分放大器双曲正切函数双曲正切函数第四页，本课件共有35页2.2.幂级

2、数描述幂级数描述-将器件的伏安特性，在其工作点将器件的伏安特性，在其工作点 处按幂级数展开处按幂级数展开在许多情况下，非线性器件的特性不能直接用某一在许多情况下，非线性器件的特性不能直接用某一简单函数表示，但若其伏安特性或转移特性简单函数表示，但若其伏安特性或转移特性能表示为一连续光滑曲线，则从数学上说它可以用能表示为一连续光滑曲线，则从数学上说它可以用幂级数展开。幂级数展开。如：晶体管共射电路如：晶体管共射电路第五页，本课件共有35页在在工作点工作点处，将晶体管伏安处，将晶体管伏安特性特性展开为幂级数展开为幂级数第六页，本课件共有35页代入代入 呈非线性呈非线性 系数与工作点有关系数与工作点

3、有关则则特点：特点：第七页，本课件共有35页一般来说，一般来说，N 越大系数越大系数 aN 越小；越小；展开为幂级数时，所取项数的多少取决于信号的大小展开为幂级数时，所取项数的多少取决于信号的大小和要求的精度和要求的精度第八页，本课件共有35页3.3.分段折线描述分段折线描述(近似描述近似描述)适用条件适用条件:大信号输入大信号输入二极管二极管第九页，本课件共有35页第十页，本课件共有35页差分放大器差分放大器第十一页，本课件共有35页2.6.2 2.6.2 线性化参数线性化参数从电路理论看，所有电路元器件，均可归为从电路理论看，所有电路元器件，均可归为二大类二大类：线性器件线性器件非线性器件

4、非线性器件常见的电阻、电容、电感是线性器件，特点是：常见的电阻、电容、电感是线性器件，特点是：R-R-其两端的电压、电流呈线性关系其两端的电压、电流呈线性关系 u u=RiRiC-C-电荷、电压之间呈线性关系电荷、电压之间呈线性关系 q q=Cu,Cu,L-L-磁通、电流之间呈线性关系磁通、电流之间呈线性关系=Li,Li,第十二页，本课件共有35页非线性器件非线性器件的特点是，对应的电流、电压之间（或者相的特点是，对应的电流、电压之间（或者相应的电荷、电压及磁通、电流之间）没有线性关系。应的电荷、电压及磁通、电流之间）没有线性关系。严格来说，所有有源器件，如：二极管、三极管、场效应严格来说，所

5、有有源器件，如：二极管、三极管、场效应管都是非线性器件管都是非线性器件-描述这些器件的电流、电压函数关描述这些器件的电流、电压函数关系的是非线性的代数方程系的是非线性的代数方程 i=f(v)表征这些器件的参数，如：电阻跨导不是常数，而表征这些器件的参数，如：电阻跨导不是常数，而是电压或者电流的函数。是电压或者电流的函数。第十三页，本课件共有35页但，在一定条件下有源器件可当作线性器件来使用，如：但，在一定条件下有源器件可当作线性器件来使用，如：当其工作在（低频或高频的）小信号下，其特性（电流、当其工作在（低频或高频的）小信号下，其特性（电流、电压变化关系）表现为线性，（在信号变化范围内）电电压

6、变化关系）表现为线性，（在信号变化范围内）电路的等效参数，如跨导、输入电阻等近似常数。路的等效参数，如跨导、输入电阻等近似常数。例如晶体三极管放大器例如晶体三极管放大器第十四页，本课件共有35页适用条件适用条件:输入为小信号输入为小信号输入输入:输出输出:静态电流静态电流信号电流信号电流第十五页，本课件共有35页静态电流静态电流 =信号电流信号电流线性电路不产生新的频率线性电路不产生新的频率线性化参数线性化参数-跨导跨导仅与工作点有关仅与工作点有关放大器增益放大器增益与信号大小无关与信号大小无关第十六页，本课件共有35页2.7 2.7 器件非线性的影响器件非线性的影响 研究有源器件的非线性研究

7、有源器件的非线性对线性放大器对线性放大器的影响的影响分分两种情况两种情况讨论讨论只有只有一个一个有用信号输入有用信号输入有有两个两个以上输入以上输入研究内容研究内容出现的现象、名称定义；出现的现象、名称定义；衡量性能的指标。衡量性能的指标。第十七页，本课件共有35页2.增益压缩增益压缩（Gain Compression）特点：特点：考虑对基波分量的影响考虑对基波分量的影响（只考虑到三次方只考虑到三次方）基波信号电流：基波信号电流：基波信号电流基波信号电流幅度幅度：平均跨导：平均跨导：基波信号电流：基波信号电流：基波增益基波增益：输出电流：输出电流：第十九页，本课件共有35页线性线性 非线性非线

8、性 仅与放大器工作点仅与放大器工作点 不仅与工作点有关不仅与工作点有关 有关有关 而且与输入信号幅度有关而且与输入信号幅度有关跨导跨导基波电流基波电流失真项失真项常数常数 与信号幅度有关与信号幅度有关增益增益第二十页，本课件共有35页非线性非线性增益压缩增益压缩线性线性增益压缩指标增益压缩指标1dB压缩点压缩点增益压缩增益压缩当当 0 0 时时，放大器增益放大器增益随信号增大而减小随信号增大而减小线性增益线性增益第二十一页，本课件共有35页与器件类型和放大器工作点有关与器件类型和放大器工作点有关 增益增益1dB压缩点计算：压缩点计算：第二十二页，本课件共有35页2.7.2 2.7.2 输入端有

9、两个以上信号输入端有两个以上信号设输入两个信号设输入两个信号：由于非线性由于非线性结果结果：出现：出现基波基波谐波谐波 被选频回路滤除被选频回路滤除组合频率组合频率 在基频附近的无法滤除在基频附近的无法滤除问题：问题：对对基波输出基波输出有什么影响？有什么影响？第二十三页，本课件共有35页基波分量：基波分量：(仅考虑到仅考虑到三次方三次方）二次方产生的组合频率二次方产生的组合频率不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除在基频附近在基频附近三次方项产生的组合频率为三次方项产生的组合频率为 第二十四页，本课件共有35页1.堵塞堵塞（Blocking）输入状况

10、：输入状况：输入的有用信号输入的有用信号 为为弱信号弱信号，而另一个信号而另一个信号 是是强干扰强干扰信号。信号。平均基波跨导平均基波跨导一般有一般有 0有用信号的有用信号的跨导跨导随干扰随干扰增大而减小增大而减小增益增益随干扰信号随干扰信号增大而减小增大而减小严重严重基波电流为零信号被基波电流为零信号被堵塞堵塞指标指标强信号堵塞强信号堵塞(引起射频接收机堵塞的强信号比有引起射频接收机堵塞的强信号比有 用信号大用信号大 60dB70dB)有用信号基波有用信号基波简化简化（忽略增益压缩项忽略增益压缩项）第二十五页，本课件共有35页2.交叉调制交叉调制（Cross Modulation）输入情况输

11、入情况:强干扰是调幅波强干扰是调幅波幅度幅度有用信号幅度有用信号幅度干扰信号幅度干扰信号幅度交叉调制现象交叉调制现象:干扰信号幅度转移到有用信号幅度上干扰信号幅度转移到有用信号幅度上结果结果:当有用信号是调幅波时当有用信号是调幅波时,解调后解调后,会听到干扰台的串话音会听到干扰台的串话音输出有用信号基波输出有用信号基波第二十六页，本课件共有35页3.互相调制（互相调制（IntermodulationIntermodulation）输入状况输入状况:两个输入信号的频率两个输入信号的频率 、比较接近比较接近非线性非线性输出电流输出电流组合频率组合频率 、很接近基波，滤波器无法滤除很接近基波，滤波器

12、无法滤除 特点特点:基波幅度基波幅度三阶互调三阶互调互调信号幅度互调信号幅度第二十七页，本课件共有35页互调失真衡量指标互调失真衡量指标1.互调失真比互调失真比输出互调输出互调与与输出基波输出基波之比之比 设设 (即输入信号较小，可忽略增益压缩即输入信号较小，可忽略增益压缩）互调失真电压幅度比互调失真电压幅度比:互调失真功率比互调失真功率比:设：两信号输入幅度均为设：两信号输入幅度均为输出基波：输出基波：输出互调：输出互调：第二十八页，本课件共有35页2.三阶互调截点三阶互调截点 (third-order intercept point)定义定义:三阶互调三阶互调截截点点为为三阶互调功率和基波

13、功率三阶互调功率和基波功率相等的点相等的点 由三阶截点由三阶截点第二十九页，本课件共有35页dB 与与 dBm某些量的两种表示某些量的两种表示自然表示自然表示dB表示表示 dB表示的量是无量纲的，是比值。表示的量是无量纲的，是比值。电压比的系数是电压比的系数是20，功率比是，功率比是10注意注意1.dB电压电压增益增益功率功率增益增益噪声系数噪声系数 F=4 功率比功率比当当输入输出输入输出阻抗相同阻抗相同时时,用用dB 表示的功率增益、电压增益表示的功率增益、电压增益数值相同数值相同第三十页，本课件共有35页dB(功率功率)10logdBWdBmdB（电压（电压）dBVdBmVdBV2.dB

14、m与与dBmV注意注意 dBm对应功率对应功率 dBmV对应电压对应电压 电压、功率的系数不同电压、功率的系数不同表示的量表示的量有单位有单位第三十一页，本课件共有35页采用采用dB的优点的优点将乘法运算变为加法将乘法运算变为加法GP1GP2注意注意 dB dB与与dBdB可加减，但不能乘除可加减，但不能乘除 dBm dBm与与dBmdBm不可相加，但可以相减，结果为不可相加，但可以相减，结果为dBdB dBdB与与dBmdBm间可加减，结果为间可加减，结果为dBm dBm GPPiPo第三十二页，本课件共有35页例例:已知已知一放大器的三阶互调截点一放大器的三阶互调截点 ,当当输入功率输入功

15、率 求求:在此输入功率下的互调失真比在此输入功率下的互调失真比 时时,解解:在三阶互调截点处在三阶互调截点处由由则互调失真比则互调失真比用分贝表示用分贝表示当当 时时,第三十三页，本课件共有35页互调干扰在射频系统中出现的形式互调干扰在射频系统中出现的形式(接收接收)相邻信道相邻信道1相邻信道相邻信道2(发射的强信号发射的强信号)互调互调1dB压缩点与三阶截点的关系压缩点与三阶截点的关系即增益压缩点的输入（或输出）电平即增益压缩点的输入（或输出）电平要比三阶截点电平低约要比三阶截点电平低约10dB 10dB 均由器件的三次方引起均由器件的三次方引起第三十四页，本课件共有35页2.7.3 多级非线性级级联特性多级非线性级级联特性讨论讨论:系统总的非线性与每一级的非线性关系系统总的非线性与每一级的非线性关系 两级公式两级公式:理解理解:1.1.当系统的每一级均有增益时，当系统的每一级均有增益时，系统的总的三阶互调截点输入功率总是小于每一级的系统的总的三阶互调截点输入功率总是小于每一级的 2.前级的增益越高前级的增益越高,总系统的三阶互调输入功率越小总系统的三阶互调输入功率越小第三十五页，本课件共有35页