非线性电路的分析方法优秀PPT.ppt

《非线性电路的分析方法优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《非线性电路的分析方法优秀PPT.ppt（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、非线性电路的分析方非线性电路的分析方法法第一页，本课件共有39页6.1 概述概述 级数展开分析方法级数展开分析方法)1e(IiKT/quScBE-=折线分析法折线分析法线性时变电路分析法线性时变电路分析法休息1休息2第二页，本课件共有39页6.2 非线性元器件的特性描述非线性元器件的特性描述非线性元器件的特性描述非线性元器件的特性描述 休息1休息21.幂级数分析法幂级数分析法当当PN结二极管的电压、电流值较小时，流过二极管的电流结二极管的电压、电流值较小时，流过二极管的电流id(t)可写为可写为:如如果果加加在在二二极极管管上上的的电电压压ud=UQ+Usmcosst，且且Usm较较小小，UQ

2、UT。流流过过二二极极管管的电流为的电流为QUdmuDiDOiduS令，令，。则。则利用利用id(t)可以写为：可以写为：由二项式定理由二项式定理：进一步展开。其中，进一步展开。其中，利用三角函数公式：利用三角函数公式：可以将可以将id(t)表达为表达为：以以上上分分析析进进一一步步表表明明：单单一一频频率率的的信信号号电电压压作作用用于于非非线线性性元元件件时时，在在电电流流中中不不仅仅含含有有输输入入信信号号的的频频率率分分量量s，而而且且还还含含有有各各次次谐谐波波频频率分量率分量ns。第三页，本课件共有39页1.1.幂级数分析法幂级数分析法幂级数分析法幂级数分析法当当两两个个信信号号电

3、电压压ud1=Udmlcoslt和和ud2=Udm2cos2t同同时时作作用用在在非非线线性性元元件件时时，根根据以上的分析可得简化后的据以上的分析可得简化后的id(t)表达式为：表达式为：利用三角函数的积化和差公式：利用三角函数的积化和差公式：可以推出可以推出id(t)中所含有的频率成份为：中所含有的频率成份为：其中，（其中，（p，q=1，2，3.）。）。12输入电压信号的频谱输入电压信号的频谱电流电流id(t)的频谱的频谱131212222-12+12+212-2122+122-122+2122-21第四页，本课件共有39页第四章第四章 非线性电路，线性时变参数电路非线性电路，线性时变参数

4、电路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休息1 休息2第五页，本课件共有39页us+-+-uoEBECVTCL2.2.线性时变电路分析法线性时变电路分析法线性时变电路分析法线性时变电路分析法 休息1休息2ic+ube-yiegmubeic+uce-UB(t)第六页，本课件共有39页us+-+-uoEBECVTCLUB(t)2.2.线性时变电路分析法线性时变电路分析法线性时变电路分析法线性时变电路分析法 休息1休息2uBEic第七页，本课件共有39页休息1休息2第八页，本课件共有39页uoS(t)3 3 开关函数分析法开关函数分析法休息1休息2+-udidididRLrdus

5、uo+-+-开关频率开关频率oRLVDusuo+-+-返回继续idid第九页，本课件共有39页相乘器相乘器kuxuyuz输入信号频谱输入信号频谱输出信号频谱输出信号频谱4 4 乘法器电路分析乘法器电路分析休息1休息2第十页，本课件共有39页6.3 模拟乘法器模拟乘法器6.3.1 模拟乘法器的基本概念模拟乘法器的基本概念6.3.2 差分对模拟乘法电路差分对模拟乘法电路一、单差分对乘法电路一、单差分对乘法电路二、双差分对模拟乘法电路二、双差分对模拟乘法电路三、具有射极反馈电阻的双差分对乘法电路三、具有射极反馈电阻的双差分对乘法电路四、单片集成模拟乘法器四、单片集成模拟乘法器 第十一页，本课件共有3

6、9页等各种技术领域等各种技术领域 模拟乘法器可应用于：模拟乘法器可应用于：6.3.1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属于非线性单元电路，通常为集成组件。具有模拟乘法器属于非线性单元电路，通常为集成组件。具有两个输入两个输入端端（常称（常称X输入和输入和Y输入）和输入）和一个输出端一个输出端（常称（常称Z输出），输出），是一个是一个三端口网络，电路符号如右图所示：三端口网络，电路符号如右图所示：uxuyuzXYZ理想乘法器：理想乘法器：uz(t)=kux(t)uy(t)式中：式中：k为为增益系数增益系数或或标度因子标度因子，单位：单位：，k的数值与乘法器的电路参数有关。的数值与

7、乘法器的电路参数有关。或或Z=kXY第十二页，本课件共有39页一、乘法器的工作象限一、乘法器的工作象限乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。XYXmax-XmaxYmax-Ymax输入电压可能有四种极性组合：输入电压可能有四种极性组合：XYZ（+）（-）=（-）第第象限象限（-）（-）=（+）第第象限象限（-）（+）=（-）第第象限象限（+）（+）=（+）第第象限象限（1）两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为）两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为“单象限乘法器单象限乘法器”；（2）一个输入信号可以两种极性，另一个只能

8、是一种单极性的乘法器）一个输入信号可以两种极性，另一个只能是一种单极性的乘法器为为“二象限乘法器二象限乘法器”；（3）两个输入信号都可以正、负两种极性的乘法器为）两个输入信号都可以正、负两种极性的乘法器为“四象限乘四象限乘法器法器”。第十三页，本课件共有39页（3）当）当X=Y或或X=-Y，Z=KX2或或Z=-KX2，输出与输入是平方律特性输出与输入是平方律特性（非线性）（非线性）。XYX=YX=-Y2、乘法器的线性和非线性、乘法器的线性和非线性理想乘法器属于非线性器件还是线性理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质。器件取决于两个输入电压的性质。一般：一般：当当X或或Y为

9、一恒定直流电压时，为一恒定直流电压时，Z=KCY=KY，乘法器为一个乘法器为一个线性线性放大器。放大器。当当X和和Y均不定时，乘法器属于均不定时，乘法器属于非线性非线性器件。器件。（2）当）当X=C（常数），（常数），Z=KCY=KY，Z与与Y成正比成正比（线性关系）（线性关系）XYC0C0二、理想乘法器的基本性质二、理想乘法器的基本性质1、乘法器的静态特性、乘法器的静态特性（1）第十四页，本课件共有39页 在集成模拟乘法器中，实现模拟相乘的方法有多种，在集成模拟乘法器中，实现模拟相乘的方法有多种，如如可变跨导相乘法可变跨导相乘法、霍尔效应法霍尔效应法、对数对数反对数相反对数相乘法乘法、四分之

10、一平方相乘法四分之一平方相乘法以及以及时间相乘分割法时间相乘分割法等。等。目前广泛应用的通用型单片集成模拟乘法器主要有两类。目前广泛应用的通用型单片集成模拟乘法器主要有两类。一类是以一类是以对数对数反对数反对数电路为基本单元构成的电路为基本单元构成的对数式乘法器，典型产品是对数式乘法器，典型产品是TD4026。对数式乘法器。对数式乘法器的运算精度很高，但价格昂贵，主要用在对于精度要的运算精度很高，但价格昂贵，主要用在对于精度要求很高的场合。求很高的场合。另一类是以另一类是以变跨导变跨导电路为基本单元构成的变跨导乘电路为基本单元构成的变跨导乘法器，这类乘法器因为电路简单、易于集成设计、具法器，这

11、类乘法器因为电路简单、易于集成设计、具有较高的温度稳定性和一定，芯片的速度较高，所以有较高的温度稳定性和一定，芯片的速度较高，所以得到广泛应用。得到广泛应用。第十五页，本课件共有39页基本电路结构基本电路结构是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管VT3的基极的基极输入了信号输入了信号uy(t)，即恒流源电流，即恒流源电流i io受受uy(t)控制。控制。6.3.2模拟相乘器的基本单元电路模拟相乘器的基本单元电路1、二象限变跨导模拟相乘器、二象限变跨导模拟相乘器ECRCRCVT3VT2VT1uyuxREube1ube2ic2ic1ioube3

12、uo-UEE其中其中第十六页，本课件共有39页由图可知：由图可知：ux=ube1-ube2 根据晶体三极管特性，根据晶体三极管特性，VT1、VT2集电集电极电流为：极电流为：VT3的集电极电流可表示为：的集电极电流可表示为：可得：可得：同理可得：同理可得：式中，式中，为双曲正切函数。为双曲正切函数。ic1、ic2ic1ic2Io0-3321-1-2第十七页，本课件共有39页(1)(1)当为小信号当为小信号U UxmUT时，时，差分输出电流差分输出电流iod为为:差分放大电路的跨导差分放大电路的跨导gm为为:恒流源电流恒流源电流io为为:由于由于uy控制了差分电路的跨导控制了差分电路的跨导gm，

13、使输出，使输出uo中含有中含有uxuy相乘项，相乘项，故称为变跨导乘法器。故称为变跨导乘法器。变跨导乘法器输出电压变跨导乘法器输出电压uo中存在非相乘项。中存在非相乘项。第十八页，本课件共有39页(2)(2)当为中等大小信号当为中等大小信号UTU Uxm100mv时，时，VT1VT1和和VT2VT2接近于开关状态，接近于开关状态，因此因此,该电路可作为高速开关、限幅放大器等电路。双曲正该电路可作为高速开关、限幅放大器等电路。双曲正切函数可近似用双向开关函数切函数可近似用双向开关函数 替换。替换。第十九页，本课件共有39页RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6Io基本电路结构基本电路结

14、构VT1，VT2，VT3，VT4为双平衡的差分对，为双平衡的差分对，VT5，VT6差分对分别作为差分对分别作为VT1，VT2和和VT3，VT4双差分对的射极双差分对的射极恒流源恒流源。二、双差分对乘法器（吉尔伯特（二、双差分对乘法器（吉尔伯特（Gilbert）乘法器）乘法器）是一种是一种四象限乘法器四象限乘法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。，也是大多数集成乘法器的基础电路。VT1VT2VT3VT4VT5VT6第二十页，本课件共有39页RcRcVccVT1VT2VT3VT4VT5VT6Io工作原理分析工作原理分析根据差分电路的工作原理：根据差分电路的工作原理：又因，输出电压：又因，输出电压：

15、+ux-+uy-+uo-iAiBi2i1i3i4i5i6当输入为小信号并满足：当输入为小信号并满足：第二十一页，本课件共有39页而标度因子而标度因子吉尔伯特乘法器单元电路，只有当输入信号较小时，具有较理想吉尔伯特乘法器单元电路，只有当输入信号较小时，具有较理想的相乘作用的相乘作用,ux，uy均可取正、负两极性，故为均可取正、负两极性，故为四象限乘法器电路四象限乘法器电路，但因其线性范围小，不能满足实际应用的需要。但因其线性范围小，不能满足实际应用的需要。第二十二页，本课件共有39页IoyIoyRcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6RyVT5VT6Ry三、具有射极负反馈电阻的双差分对乘

16、法器三、具有射极负反馈电阻的双差分对乘法器使使用用射射极极负负反反馈馈电电路路Ry，可可扩扩展展uy的的线线性性范范围围，Ry取取值值应应远远大大于于晶晶体体管管T5,T6的的发发射极电阻，即有射极电阻，即有静态时，静态时，i5=i6=IoY。当加入当加入信号信号uy时，流过时，流过Ry的电流为：的电流为：iAiB+ux-+uo-iY有有如果如果uxUT，i5i6+uy-第二十三页，本课件共有39页RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6IoyIoyRyVD1VD2VT7VT8R1RxIoxIox线性化吉尔伯特乘法器电路线性化吉尔伯特乘法器电路具有射极负反馈电阻的双平衡具有射极负反馈电

17、阻的双平衡Gilbert乘法器，尽管扩大了对输入信乘法器，尽管扩大了对输入信号号uy的线性动态范围，的线性动态范围，但对输入信号但对输入信号ux的线性动态范围仍较小的线性动态范围仍较小，在此基，在此基础上需作进一步改进，下图为改进后的础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器线性双平衡模拟乘法器的原理的原理电路，电路，其中其中VD1，VD2，VT7，VT8构成一个反双曲线正切函数电路。构成一个反双曲线正切函数电路。uxuxuyuoVD1VD2VT7VT8R1RxIoxIox第二十四页，本课件共有39页RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6IoyIoyRyVD1VD2VT7

18、VT8R1RxIoxIoxuxuyux工作原理分析：工作原理分析：i7ixi8iyiAiBVT7，VT8，Rx，Iox构构成成线线性性电电压压电电流流变变换器。换器。有有uo而而为为VD1与与VD2上的电压差，上的电压差，即即:利用数学关系利用数学关系：，则上式可写成：则上式可写成：（1）代入（）代入（2）可得：）可得：其中标度因子：其中标度因子：可见大大扩展了电路对可见大大扩展了电路对ux和和uy的线性动态范围，改变电阻的线性动态范围，改变电阻Rx或或Iox可很方便地改变相乘器的增益。可很方便地改变相乘器的增益。+UD1-+UD2-iD1iD2第二十五页，本课件共有39页VT5VT6RyRc

19、RcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VDRyR5-EEVT7VT8VD四、四、单片集成模拟乘法器及其典型应用单片集成模拟乘法器及其典型应用一、一、MC1496/MC1596及其应用及其应用uxuy1、内部电路结构内部电路结构与具有射极负反馈的双平与具有射极负反馈的双平衡衡Gilbert相乘器单元电路比相乘器单元电路比较，电路基本相同，较，电路基本相同，仅恒流源仅恒流源用晶体管用晶体管VT7，VT8代替，二极代替，二极管管VD与与500电阻构成电阻构成VT7，VT8的偏置电路。的偏置电路。反偏电阻反偏电阻Ry外接在引脚外接在引脚、两端，可展宽两端，可展宽uy输入信号的输入信号

20、的动态范围，并可调整标度因子动态范围，并可调整标度因子K。2、外接元件参数的计算、外接元件参数的计算iy+uy-负反馈电阻负反馈电阻Ry且应满足且应满足|iy|0VZ第三十六页，本课件共有39页3、实用除法运算电路实用除法运算电路电路中电路中C为频率补偿电容为频率补偿电容第三十七页，本课件共有39页三、开平方运算电路三、开平方运算电路I1I2+vo-+vi-电路结构电路结构乘乘法法器器构构成成的的开开平平方方电电路路接接在在运运放放的的负负反反馈馈支支路路上上，为为了了防防止止因因极极性性的的改改变变及及噪噪声声的的影影响响使使运运放放发发生生正正反反馈馈堵堵塞塞现现象象，电电路路中中接接入入了了防防止止堵堵塞塞的的二二极极管管（当当时时，D截截止，环路不工作止，环路不工作工作原理分析：工作原理分析：其中其中第三十八页，本课件共有39页正电压开方运算电路正电压开方运算电路开立方运算电路开立方运算电路由右图电路可推出由右图电路可推出：第三十九页，本课件共有39页