第四章非线性电路正式优秀PPT.ppt
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1、第四章非线性电路正式第一页,本课件共有45页研究非线性电路目的研究非线性电路目的非线性电路会产生新的频率分量非线性电路会产生新的频率分量(输出信号中含有输入信号没有的频率分量)(输出信号中含有输入信号没有的频率分量)研究目的研究目的 1 1、实现新的电路功能。、实现新的电路功能。2 2、防止或减小非线性失真减小干扰、防止或减小非线性失真减小干扰第二页,本课件共有45页1.非线性电路的基本概念非线性电路的基本概念1)元件分类:元件分类:n 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:元件的值与加于元件两端的电压或电流大小无关。例如:一般的无关。例如:一般的 R,L,C。n 非线性非
2、线性元件元件:元件的值与加于元件两端的电压或电流大元件的值与加于元件两端的电压或电流大小有关。例如:晶体管的小有关。例如:晶体管的 ,变容管的结电容,变容管的结电容 。n 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。:元件的参数按一定规律随时间变化。例如:变频器的变频跨导例如: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。如小信号放大器条件的,或者是近似的。如小信号放大器一一 非线性电路的基本概念与非线性元件非线性电路的基本概念与非线性元件第三页,本课件共有45页 2)电路分类:)电路分类:n
3、 线性电路线性电路:线性电路是:线性电路是只由线性元件构成的电路只由线性元件构成的电路。它的输出。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。输入关系用线性代数方程式或线性微分方程表示。线性电路的线性电路的主要特征是主要特征是具有具有叠加性和均匀性叠加性和均匀性。n 非线性电路非线性电路:非线性电路:非线性电路至少包含一个非线性元件而且该元件至少包含一个非线性元件而且该元件工作在非线性状态。其工作在非线性状态。其输出输入关系用非线性函数方程(非线性代输出输入关系用非线性函数方程(非线性代数、超越方程)或非线性微分方程表示。数、超越方程)或非线性微分方程表示。非非线性电路不具有叠加性与均
4、匀性。线性电路不具有叠加性与均匀性。非线性电路的重要特性:非线性电路的重要特性:在输出信号中将会产生输入信号所没有的在输出信号中将会产生输入信号所没有的频率成分即产生新的频率分量。频率成分即产生新的频率分量。n 时变参量电路时变参量电路:元件的参数受外加信号的控制而按一定规律随:元件的参数受外加信号的控制而按一定规律随时间变化的电路为时变参量电路(也称参变电路),例如:模拟时间变化的电路为时变参量电路(也称参变电路),例如:模拟相乘器与三极管变频器。相乘器与三极管变频器。第四页,本课件共有45页非线性电路可以分为两大类:非线性电路可以分为两大类:非线性电阻电路非线性电阻电路 不含储能元件(电容
5、器、电感器等)而仅由非线性不含储能元件(电容器、电感器等)而仅由非线性电阻元件组成的电路,称为非线性电阻电路。电阻元件组成的电路,称为非线性电阻电路。可用一组非线性函数方程描述。可用一组非线性函数方程描述。非线性动态电路非线性动态电路 至少含有一个非线性元件和一个储能元件。至少含有一个非线性元件和一个储能元件。这个非线性元件可以是电容器、电感器,也可以是这个非线性元件可以是电容器、电感器,也可以是电阻。非线性动态电路由一组非线性微分方程描述,经电阻。非线性动态电路由一组非线性微分方程描述,经常写成状态方程的形式。常写成状态方程的形式。分析非线性电路工程上一般采用近似分析手段分析非线性电路工程上
6、一般采用近似分析手段图解法和近似解析法。图解法和近似解析法。3)非)非线性性电路分路分类第五页,本课件共有45页n 它们的它们的特性曲线特性曲线(二极管的二极管的i-v,三极管三极管转移性转移性 ,MOS管管 )函数关系大体上可分为指数函数和幂函数关系大体上可分为指数函数和幂函数函数两大类,如两大类,如2.非线性元件的特性非线性元件的特性n 工作特性是非线性(较大信号工作状态)。工作特性是非线性(较大信号工作状态)。n 具有频率变换作用(产生新频率)。具有频率变换作用(产生新频率)。n 不具有叠加性和均匀性不具有叠加性和均匀性。1)工作特性的非线性(见)工作特性的非线性(见P182,表,表4.
7、2.1)n 常用的非线性元件有半导体二极管、双极型半导体三极管、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。各类场效应管和变容二极管等。第六页,本课件共有45页n 变电容半导体二极管(简称变容管)的工作原理和特性:变电容半导体二极管(简称变容管)的工作原理和特性:l 变容管是利用半导体变容管是利用半导体PN结的结电容结的结电容(势垒电容)随(势垒电容)随反向电压反向电压V变化制成的变化制成的一种二极管。一种二极管。PN结是反向偏置的。结是反向偏置的。l V=0时变容管的等效电容为时变容管的等效电容为 l 变容指数变容指数 ,取决于,取决于PN结的结构结的结构
8、和杂质分布情况的系数。和杂质分布情况的系数。缓变结变容管:缓变结变容管:=1/3。突变结变容管:突变结变容管:=1/2。超突变结变容管:超突变结变容管:=2。l 接触电位差为:接触电位差为:硅管约为硅管约为0.7V,锗管约为,锗管约为0.2V。l lV V:为加在变容管两端的电压:为加在变容管两端的电压:为加在变容管两端的电压:为加在变容管两端的电压第七页,本课件共有45页2、有频率变换作用有频率变换作用 设非线性元件表示式为设非线性元件表示式为如果输入端加上两个正弦信号:如果输入端加上两个正弦信号:3、不具有叠加性和均匀性不具有叠加性和均匀性(2)式无组合频率成分:)式无组合频率成分:三角函
9、数展开,产生新频率分量:三角函数展开,产生新频率分量:思考:学过的哪些电路属于线性、非线性电路?思考:学过的哪些电路属于线性、非线性电路?思考:学过的哪些电路属于线性、非线性电路?思考:学过的哪些电路属于线性、非线性电路?(1 1)(2 2)结论:(结论:(结论:(结论:(2 2)式不等于()式不等于()式不等于()式不等于(1 1)式,不)式,不)式,不)式,不满足叠加性满足叠加性第八页,本课件共有45页3.3.非线性元件的描述方法非线性元件的描述方法根据输入信号的大小用以下三种逼近根据输入信号的大小用以下三种逼近方法描述(以非线性电阻伏安特性为例)方法描述(以非线性电阻伏安特性为例)解析函
10、数解析函数幂级数输入信号小幂级数输入信号小分段折线输入信号大分段折线输入信号大1 1)解析函数描述)解析函数描述p晶体管晶体管p场效应管场效应管p晶体管差分对晶体管差分对反向截止反向截止电流流N沟耗尽型沟耗尽型MOS管管饱和区和区 为饱和和电流流第九页,本课件共有45页2 2)幂级数描述)幂级数描述当输入信号为小信号时,可在工作点当输入信号为小信号时,可在工作点V V0 0处展开为幂级数处展开为幂级数以晶体管为例以晶体管为例第十页,本课件共有45页3 3)折线描述)折线描述当输入为大信号时,可用分段折线来描述元件的非线性当输入为大信号时,可用分段折线来描述元件的非线性以二极管为例以二极管为例特
11、殊特殊特殊特殊反向反向饱和和电流流第十一页,本课件共有45页开关函数表示输入信号很大开关函数表示输入信号很大单向开关单向开关单向开关单向开关双向开关?双向开关?双向开关?双向开关?1 1单向开关函数向开关函数第十二页,本课件共有45页二 非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法 非线性电路的分析内容:非线性电路的分析内容:非线性电路的分析内容:非线性电路的分析内容:非线性失真在线性放大器中产生的影响及其衡量这些非线性失真在线性放大器中产生的影响及其衡量这些影响的主要指标。(主要看基波受哪些影响,产生哪影响的主要指标。(主要看基波受哪些影响,产生哪些频率分量)些频率分量)分两种情况讨论:分两种情
12、况讨论:(1)仅)仅1个输入信号个输入信号 (2)两个以上信号输入)两个以上信号输入非线性器件在频谱搬移电路(调幅、检波、混频)中作用非线性器件在频谱搬移电路(调幅、检波、混频)中作用非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法幂级数分析法幂级数分析法(输入小信号)(输入小信号)-三角函数三角函数折折线分析法(输入大信号)线分析法(输入大信号)-傅氏傅氏级数级数开关函数开关函数 -傅氏傅氏级数级数第十三页,本课件共有45页 例如,设非线性元件的特性用非线性函数例如,设非线性元件的特性用非线性函数 来描述。来描述。n如果如果 的各阶导数存在的各阶导数存在,则可
13、展开成以下幂级数:,则可展开成以下幂级数:n 基本分析方法:基本分析方法:若函数若函数 在静态工作点在静态工作点 附近的各附近的各阶导数都存在,则在静态工作点阶导数都存在,则在静态工作点 附近展开为泰勒级数:附近展开为泰勒级数:取几项?取几项?取几项?取几项?线性取前两项线性取前两项线性取前两项线性取前两项非线性至少取至第非线性至少取至第非线性至少取至第非线性至少取至第3 3项项项项1.幂级数分析法(输入信号小)幂级数分析法(输入信号小)将非线性电阻电路的输出输入特性用一个将非线性电阻电路的输出输入特性用一个N阶幂级数近似阶幂级数近似表示。表示。通常被用来研究非理想线性器件的非线性失真通常被用
14、来研究非理想线性器件的非线性失真 第十四页,本课件共有45页n 该幂级数(泰勒级数)各系数分别由下式确定,即:该幂级数(泰勒级数)各系数分别由下式确定,即:iv0 是静态工作点电流。是静态工作点电流。是静态工作点处的电导,即动态电阻是静态工作点处的电导,即动态电阻 r 的倒数。的倒数。要求近似的准确度越高或特性曲线的要求近似的准确度越高或特性曲线的运用范围愈宽运用范围愈宽,则所取,则所取的的项数就愈多项数就愈多。大信号易非线性大信号易非线性第十五页,本课件共有45页以晶体管放大器的幂级数表述为例以晶体管放大器的幂级数表述为例,设输入信号幅度较大设输入信号幅度较大分析内容:含多少频率分量;这些分
15、量对电路的影响分析内容:含多少频率分量;这些分量对电路的影响分析内容:含多少频率分量;这些分量对电路的影响分析内容:含多少频率分量;这些分量对电路的影响仅输入一个信号入一个信号(以(以单频为例)例)直流直流基波基波二次二次谐波波三次三次谐波波第十六页,本课件共有45页输出出现各次谐波分量输出出现各次谐波分量做倍频器;它们离基波远可做倍频器;它们离基波远可通过滤波将谐波影响消除,对放大器的影响不大。通过滤波将谐波影响消除,对放大器的影响不大。只考虑到三次幂级数项时只考虑到三次幂级数项时p p基波增益中有与基波增益中有与基波增益中有与基波增益中有与输输入信号幅度有关的失真入信号幅度有关的失真入信号
16、幅度有关的失真入信号幅度有关的失真项项n n平均跨导:平均跨导:平均跨导:平均跨导:p p若若若若 ,平均跨导随输入信号幅度增大而减小产生,平均跨导随输入信号幅度增大而减小产生,平均跨导随输入信号幅度增大而减小产生,平均跨导随输入信号幅度增大而减小产生了增益压缩。了增益压缩。了增益压缩。了增益压缩。-用用用用1dB1dB压缩点指标衡量。压缩点指标衡量。压缩点指标衡量。压缩点指标衡量。输入一个入一个单频信号信号时的的输出情况出情况基波基波基波基波电电流幅度流幅度流幅度流幅度第十七页,本课件共有45页n增益压缩增益压缩 对于放大器来说,当输入信号(电压、功率)较小时,其输出对于放大器来说,当输入信
17、号(电压、功率)较小时,其输出信号信号(电压、功率)(电压、功率)随输入线性增长,但随输入线性增长,但输入增大到一定程度输入增大到一定程度后,由于放大器出现饱和,增益会随输入信号增大而减小,即出后,由于放大器出现饱和,增益会随输入信号增大而减小,即出现增益压缩现象。现增益压缩现象。n1dB压缩点:是指当增益比线性放大时的增益下降压缩点:是指当增益比线性放大时的增益下降1dB所对应的输入信号幅度所对应的输入信号幅度 (或功率)值。(或功率)值。n1dB压缩点常用于度量放大器的线性。压缩点常用于度量放大器的线性。例如度量发射机功率放大器的线性,例如度量发射机功率放大器的线性,功放的功放的1dB压缩
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