(精品)第五章非线性电路分析法和混频器.ppt
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1、第五章第五章非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器电路性质:非线性电路性质:非线性分析方法:幂级数法、折线法分析方法:幂级数法、折线法基础知识:泰勒级数、频谱的概念、三角变换基础知识:泰勒级数、频谱的概念、三角变换电路基础与模电中的很多结论不再适用电路基础与模电中的很多结论不再适用折线法是学习第六章功率折线法是学习第六章功率放大器的重要基础!放大器的重要基础!本章内容l5.2 非线性元件的特征l5.3 非线性电路分析法l5.5 混频器的工作原理l5.6 晶体(三极)管混频器l5.7 二极管混频器l5.8 差分对模拟乘法器混频电路l5.9 混频器中的干扰5.1、5.4、5.10不讲不讲
2、第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器为什么不讲5.1、5.4、5.10l分别用一句话可以概括这3节l5.1的结论:不能用微分方程分析非线性电路,因为太复杂不适于工程应用;l5.4:“时变参量”实际上是一种分析法,不是特殊的电路,可用其他分析法代替;l5.10:工业干扰对高频的影响主要考虑的是安全性(如过压保护等),与本章内容关系不大。第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.2 非线性元件的特征l非线性元件的三个主要特征l(1)输出量与输入量不是线性关系;l这将导致静态(直流)电阻与动态(交流)电阻的不一致l(2)具有频率变换作用;l混频器正是
3、利用了非线性元件的这个特性l(3)不满足叠加原理。l这一特征其实是由第(1)个特征决定的第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器(特征(特征1)输出与输入量的非线性关系)输出与输入量的非线性关系l为了更好地了解非线性元件,我们先研究一下线性元件的特点:vivi5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征(1)输出与输入量的非线性关系)输出与输入量的非线性关系vi可见线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的可见
4、线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的非线性元件输入输出关系曲线非线性元件输入输出关系曲线以二极管为例以二极管为例vi根据二极管特性可画出根据二极管特性可画出i-v曲线曲线vi5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征(1)输出与输入量的非线性关系)输出与输入量的非线性关系非线性元件的静态电阻与动态电阻不一样非线性元件的静态电阻与动态电阻不一样vi可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的(特征(特征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注意注意Vs是余弦波的振幅,是一个常数是余弦波的振幅,是一个常数直流分量直流分量2倍频分量倍频分量5
5、.2 非线性元件的特征非线性元件的特征分别画出输入输出信号的频谱输入信号频谱输入信号频谱输出信号频谱输出信号频谱可见信号经过非线性电路后频率发生了变换可见信号经过非线性电路后频率发生了变换5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征(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(特征(特征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l什么是叠加原理?电路则称该电路满足叠加原理则称该电路满足叠加原理5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征输入输入输出输出(特征(特征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5.2 非线性元件的特征非线性元件的特征显然不等于显然不等于i
6、1+i2,即不满足叠加原理,即不满足叠加原理5.3 非线性电路分析法l根据具体电路的不同,分析方法是多种多样的,最常见也最实用的方法有2种:l幂级数法l用泰勒级数将曲线在某一点展开成级数形式l折线法l将曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成的折线第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.3.1 幂级数法l非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示:注意:这只是各系数的数学意义,由于注意:这只是各系数的数学意义,由于f(v)的表达式的表达式在实际情况下往往不知道,所以不能直接通过这些公式求各系数在实际情况下往往不知道,所以不能直接通过这些公式求各系数如何通过测绘的曲
7、线图近似求得各系数?如何通过测绘的曲线图近似求得各系数?l一般情况下,只研究f(v)的前3项即可,即忽略第4项及其以后的各项。5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法如何通过作图得到b0vi5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法b1的几何意义和求法vi从图中可读出这从图中可读出这段距离,记为段距离,记为x5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法b2的求法l在图中任取V0附近一点电压VBl通过作图得到相应的电流iBl从而可列出方程l此方程只有b2一个未知数,故可求之。大家可以对照教材大家可以对照教材164页的实
8、例理解这个过程页的实例理解这个过程一旦确定了这一旦确定了这3个系数,那么任意给定一个输入信号,个系数,那么任意给定一个输入信号,我们都可以求出输出信号的表达式了。我们都可以求出输出信号的表达式了。5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l为什么要分析这种情况?l因为下节要讲的一种混频器正是根据这个原理来实现的。这一点是大家在做题时一定要注意的地方这一点是大家在做题时一定要注意的地方5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信
9、号经过非线性电路对含余弦相乘的项进行积化和差,直到没有余弦相乘的项对含余弦相乘的项进行积化和差,直到没有余弦相乘的项5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l整理后的表达式有13项,我们用k0k12来简化表示各项的系数:观察上式可以发现一些规律观察上式可以发现一些规律2倍频倍频3倍频倍频和频和频差频差频5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法两个余弦波的叠加信号经过非线性电路两个余弦波的叠加信号经过非线性电路l信号频率变换的规律l(1)含有新的频率成分;l(2)如果把频率
10、成分表示成p1 q2的形式,其中p和q是大于等于0的整数,则p+q一定小于等于幂级数表达式中的最高次数;l(3)频率组合总是成对出现的;具体分析k0k12还可发现l(4)p+q为偶数的项的系数只与b0,b2,有关,而与b1,b3,无关,反之亦然l(5)令p+q=m,则含有p1 q2的项的系数只与bm及bm以后的b有关,而与b0至bm-1无关 这两点比较常用这两点比较常用5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1l若一非线性电路满足教材164页的5.3.8式,当输入信号为l(1)输出信号都有哪些频率分量?l(2)求输出信号中,差频分量的频率及其振幅。5.3
11、 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答(1)5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答(2)l由上面分析可知,差频分量的频率为500Hzl要求振幅需要计算:5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法例题5.3.1解答(2)(续)只有这一项能产生差频只有这一项能产生差频差频分量差频分量5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.1 幂级数法幂级数法5.3.2 折线分析法l幂级数法适用于中等大小的信号l当信号振幅更大时,幂级数取的项数必须增多,分析难度加大,所以不再适用,此时应采用折
12、线分析法vBiC近似为近似为vBiC5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法iC的近似表达式即级数法中的f(v)l此折线可以表示为5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.2 折线分析法折线分析法用折线分析法分析大输入信号vBiCttiC 5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.2 折线分析法折线分析法电流余弦脉冲ic的表达式iCtvB考虑在流通角内考虑在流通角内Vbm代入代入vB5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.2 折线分析法折线分析法cosc的表达式iCtvBVbm我们在后面学习第我们在后面学习第7章,章,功率放大器时,主要应功率放大器时,主要应用折线法,所以这
13、个公用折线法,所以这个公式相当重要!式相当重要!5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.2 折线分析法折线分析法电流最大值iCmax的表达式tiC iCmax恰好为恰好为cosc c此式在功率放大器一章有用此式在功率放大器一章有用5.3 非线性电路分析法非线性电路分析法5.3.2 折线分析法折线分析法第5次作业l补充题1l若一非线性电路满足教材164页的5.3.8式,当输入信号为l(1)输出量i中是否有输入信号的3倍频分量?为什么?l(2)求输出量i中差频分量的频率和振幅。l补充题2l采用折线分析法分析晶体管iCvB曲线时,若输入信号 ,晶体管截止电压VBZ=1.2V,跨导gc=0.1
14、(mA/V),求5.5 混频器的工作原理l什么是“混频”?l教材175176页给出了混频的概念,但是由于我们还没学习到调制与解调,所以我们同时给出一个比较简明的概念:l将2个或2个以上不同频率的信号输入到一个非线性电路中,通过选频网络从输出信号中可提取出“差频”或“和频”信号,通常称这种非线性电路为“混频器”第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器混频器的作用l主要用于信号的频谱搬移及调制解调5.5 混频器的工作原理混频器的工作原理混频器是如何实现频谱搬移的5.5 混频器的工作原理混频器的工作原理混频器是如何实现频谱搬移的l假设非线性电路的表达式为5.5 混频器的工作原理
15、混频器的工作原理混频器是如何实现频谱搬移的5.5 混频器的工作原理混频器的工作原理语音输入信号频谱语音输入信号频谱载波输入信号频谱载波输入信号频谱输出输出信号信号频谱频谱设计一个设计一个选频网络选频网络从低频搬移从低频搬移到了高频到了高频要注意若采用差频,搬移后频谱要左右翻转要注意若采用差频,搬移后频谱要左右翻转变频电压增益的概念混频电路混频电路0-S带通滤波带通滤波要注意此结果并非适用于所有电路和信号,具体情况要具体计算要注意此结果并非适用于所有电路和信号,具体情况要具体计算5.5 混频器的工作原理混频器的工作原理混频器的种类l晶体三极管混频器(5.6)l二极管混频器(5.7)l模拟乘法器混
16、频器(5.8)第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.6 晶体(三极)管混频器l本节的结构本节的结构l晶体三极管混频器的电路组态种类及优缺点晶体三极管混频器的电路组态种类及优缺点l晶体三极管混频的原理晶体三极管混频的原理l实用三极管混频电路分析实用三极管混频电路分析第五章第五章 非线性电路分析法和混频器非线性电路分析法和混频器5.6.1 晶体三极管混频器电路组态种晶体三极管混频器电路组态种类及优缺点类及优缺点l按三极管的交流接地点不同来分l按两个输入信号是否从同一极输入来分共发射极共基极同极输入不同极输入5.6 晶体晶体(三极三极)管混频器管混频器共发射极、信号从同极
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