频谱线性搬移电路.pptx

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1、频谱的搬移频谱的搬移 频谱的非线性搬移：频谱的非线性搬移：输入信号的频谱不输入信号的频谱不仅在频域上搬移，而且频谱结构也发生了变仅在频域上搬移，而且频谱结构也发生了变化。如调频、调相及其解调等。化。如调频、调相及其解调等。第1页/共93页频谱的搬移频谱的搬移 在频谱的搬移电路中，输出信号的频率在频谱的搬移电路中，输出信号的频率分量大多数情况下是输入信号中没有的，因分量大多数情况下是输入信号中没有的，因此此必须用非线性电路来完成必须用非线性电路来完成。（模电中的（模电中的“非线性失真非线性失真”概念！）概念！）第2页/共93页5.1 5.1 非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法*第五章第五章

2、 频谱的线性搬移电路频谱的线性搬移电路第3页/共93页线性元件和非线性元件线性元件和非线性元件n 线性元件：元件的参数与加于元件两端的电压或电流大小无关。例如：R R，L L，C C。第4页/共93页1 1、工作特性的非线性、工作特性的非线性n常用的非线性器件有半导体二极管、双极型半导体三极管、各类场效应管和变容二极管等，它们的特性曲线是非线性的。n非线性器件有多种含义不同的参数，且参数的值与加于元件两端的电压或电流大小有关。非线性器件的特点非线性器件的特点第5页/共93页非线性器件的特点非线性器件的特点2 2、不满足叠加原理、不满足叠加原理二者不同！（如果（如果i iv v之间是之间是线性关

3、系线性关系？）？）第6页/共93页(一一)非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法第7页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示:式中u为加在非线性器件上的电压。一般情况下,uEQ+u1+u2,其中EQ为静态工作点,u1和u2为两个输入电压。(51)第8页/共93页用泰勒级数将式（51）展开,可得(52)非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法式中 an（n=0,1,2,）为各次方项的系数,由下式确定:(53)第9页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 先分析一种最简单的情况

4、。令u2=0,即只有一个输入信号,且令u1U1cos1t,代入式（52）,有n(58)(56)利用三角变换，变为 可见，输出信号中出现了输入信号频率的基波及各次谐波分量。第10页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 从上面分析可见，只有一个输入信号时，只能获得该信号频率的基波及其谐波分量，不能获得任意频率的信号，若要实现频谱在频域上的任意搬移，还需要另外一个频率的信号。第11页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 当两个信号u1、u2作用于非线性器件时，存在着大量的乘积项 （关键是特性的二次方项产生的2a2u1u2），其他不需要的项通过滤波器

5、滤掉。第12页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 若作用在非线性器件上的两个电压均为余弦信号,即u1U1cos1t，u2U2cos2t，利用三角函数的积化和差公式(59)(510)输出电流i中将包含由下列通式表示的无限多个频率组合分量第13页/共93页设某非线性元件的特性用一个三次多项式来表示其中 v1V1mcos1t,v2V2mcos2t因为有非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法第14页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法第15页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法直流分量基波分量谐波分量组合分量

6、第16页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 （1）从非线性器件的特性考虑。如采用具有平方律特性的场效应管作为非线性器件；选择合适的静态工作点，使非线性器件工作在特性接近平方律的区域。在实际应用中应尽量减少无用的组合频率分量的数目和幅度，一般可从以下三个方面考虑:第17页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开分析法 （2）从电路的结构考虑。如采用由多个非线性器件组成的平衡型电路，抵消一部分无用的组合频率分量。在实际应用中应尽量减少无用的组合频率分量的数目和幅度，一般可从以下三个方面考虑:第18页/共93页非线性函数的级数展开分析法非线性函数的级数展开

7、分析法 在实际应用中应尽量减少无用的组合频率分量的数目和幅度，一般可从以下三个方面考虑:（3）从输入信号的大小考虑。如减小u1、u2的振幅，以便有效地减小高阶相乘项及其产生的组合频率分量的幅度。第19页/共93页(二二)线性时变电路分析法线性时变电路分析法第20页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法 若u1的振幅远远小于u2的振幅，则对式（51）在EQ+u2上对u1用泰勒级数展开,有(511)上式中各系数均是u2的函数，称为时变系数或时变参量（因为 u2是时间的函数）第21页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法若u1足够小,可以忽略式（511）中u1的二次方及其以上各次方项

8、,则该式可简化为(513)（514)I0(t)表示输入信号u1=0时的电流，称为时变静态电流；g(t)称为时变电导或时变跨导。第22页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法若u1足够小,可以忽略式（511）中u1的二次方及其以上各次方项,则该式可简化为(513)（514)就输出电流 i 与输入电压u1的关系而言是线性的，但它们的系数却是时变的，故称为线性时变电路。第23页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法 考虑u1和u2都是余弦信号,u1U1cos1t,u2U2cos2t,时变偏置电压EQ(t)=EQ+U2cos2t 为一周期性函数,故I0(t)、g(t)也必为周期性函数,

9、可用傅里叶级数展开,得（515）(516)第24页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法两个展开式的系数可直接由傅里叶系数公式求得(517)(518)0 k第25页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法由(514)可见频率分量为(520)(510)与(510)相比去除了p大于1、q为任意的众多组合频率分量。第26页/共93页线性时变电路分析法线性时变电路分析法 注意：线性时变电路并不是不产生p大于1、q为任意的组合频率分量，而是它们的幅度相对于低阶分量很小而被忽略。线性时变电路用于频谱搬移电路时，仍要用滤波器滤除不需要的频率分量。第27页/共93页5.2 5.2 二极管电路二极

10、管电路*第五章第五章 频谱的线性搬移电路频谱的线性搬移电路第28页/共93页 二极管电路的优点是电路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等，主要缺点是无增益。二极管电路，特别是平衡电路和环形电路，广泛应用于振幅调制、振幅解调、混频及其它通信设备的电路中。二极管电路二极管电路第29页/共93页(一一)单二极管电路单二极管电路第30页/共93页单二极管电路单二极管电路图54单二极管电路 输入信号u1和控制信号（参考信号）u2相加，作用在非线性器件二极管上。第31页/共93页单二极管电路单二极管电路加在二极管两端的电压uD为二极管可等效为一个受控开关,控制电压就是uD。(529)第32页/共93

11、页图55二极管伏安持性的折线近似单二极管电路单二极管电路UD足够大，二极管工作在大信号状态第33页/共93页单二极管电路单二极管电路 若U2U1,可进一步认为二极管的通断主要由u2控制,可得(530)第34页/共93页单二极管电路单二极管电路一般有U2Vp,可令Vp=0(也可在电路中加一固定偏置电压Eo,用以抵消Vp,此时 uDEo+u1+u2）,式（530）可进一步写为(531)第35页/共93页单二极管电路单二极管电路由于u2U2 cos2t 则u20对应于 2n-/22t2n+/2,n=0,1,2,故有(532)上式也可以合并写成(533)第36页/共93页单二极管电路单二极管电路(53

12、3)式中g(t)为时变电导,受u2的控制;K(2 t)为开关函数,它在u2的正半周时等于1,在负半周时为零,即(534)第37页/共93页(534)单二极管电路单二极管电路单向开关第38页/共93页 可见,在前面的假设条件下,二极管电路可等效为一线性时变电路,其时变电导g(t)为（535）单二极管电路单二极管电路(533)K(2 t)是一周期性函数,可用傅里叶级数展开为(536)第39页/共93页代入，得(537)单二极管电路单二极管电路(533)(536)第40页/共93页若u1U1cos1t 为单一频率信号,则代入上式并整理得uD=u1+u2=U1cos1t+U2cos2t单二极管电路单二

13、极管电路(537)第41页/共93页(538)单二极管电路单二极管电路第42页/共93页(538)单二极管电路单二极管电路第43页/共93页由上式可以看出,流过二极管的电流iD中的频率分量有:（1）输入信号u1和控制信号u2的频率分量1和2;（2）控制信号u2的频率2的偶次谐波分量;（3）由输入信号u1的频率1与控制信号u2的奇次谐波分量的组合频率分量(2n+1)21,n=0,1,2,。单二极管电路单二极管电路第44页/共93页(二二)二极管平衡电路二极管平衡电路第45页/共93页二极管平衡电路二极管平衡电路 采用二极管平衡电路的目的是进一步减少不必要的组合频率分量。+第46页/共93页 与单

14、二极管电路的条件相同,二极管处于大信号工作状态,主要工作在截止区和线性区,二极管的伏安特性可用折线近似。U2U1,二极管开关主要受u2控制。加到两个二极管的电压为 uD1=u2+u1 uD2=u2-u1二极管平衡电路二极管平衡电路第47页/共93页二极管平衡电路二极管平衡电路 由于加到两个二极管上的控制电压u2是同相的,因此两个二极管的导通、截止时间是相同的,其时变电导也是相同的。由此可得流过两管的电流i1、i2分别为（540）第48页/共93页二极管平衡电路二极管平衡电路则i1、i2在T2次级产生的电流分别为:(541)为分析方便，设变压器线圈匝数比 N1:N2=1:1 但两电流流过T2的方

15、向相反,在T2中产生的磁通相消,故次级总电流iL应为(542)第49页/共93页(543)将式（540）代入上式,有考虑u1U1cos1t,代入上式可得(544)二极管平衡电路二极管平衡电路第50页/共93页二极管平衡电路二极管平衡电路由上式可以看出,输出电流iL中的频率分量有:（1）输入信号u1的频率分量1;（2）由输入信号u1的频率1与控制信号u2的奇次谐波分量的组合频率分量(2n+1)21,n=0,1,2,。(544)第51页/共93页二极管平衡电路二极管平衡电路二极管平衡电路减少了u2的基波分量和偶次谐波分量。(538)与单二极管电路相比：第52页/共93页二极管桥式电路二极管桥式电路

16、 与二极管平衡电路相比,不需要具有中心抽头的变压器。第53页/共93页二极管桥式电路二极管桥式电路 实际的二极管桥式电路，桥路输出加至晶体管的基极，经放大及回路滤波后，输出所需的频率分量。第54页/共93页(三三)二极管环形电路二极管环形电路第55页/共93页二极管环形电路二极管环形电路 四只二极管方向一致，组成一个环路，故称二极管环形电路。第56页/共93页u20u20u20二极管环形电路二极管环形电路 根据图中电流的方向，两个平衡电路在负载RL上产生的总电流为iL=iL1+iL2 =(i1-i2)+(i3-i4)（547）第58页/共93页二极管环形电路二极管环形电路 两个平衡电路在负载R

17、L上产生的总电流为 iL=iL1+iL2=(i1-i2)+(i3-i4)（547）（548）(543)(549）1利用平衡电路的分析结果得第59页/共93页二极管环形电路二极管环形电路第60页/共93页 由图可见K(2t)、K(2t)为单向开关函数，而K(2t)为双向开关函数（550）（551）二极管环形电路二极管环形电路另从图中可见第61页/共93页K（2t-）、K(2t）的傅里叶级数:(552)(553)二极管环形电路二极管环形电路第62页/共93页二极管环形电路二极管环形电路当u1=U1cos1t 时 输出电流iL中只有控制信号u2的奇次谐波分量与输入信号u1频率1的组合频率分量(2n+

18、1)21。第63页/共93页(544)二极管环形电路二极管环形电路 二极管环形电路又消除了输入信号u1的频率分量1，且输出频率分量的幅度等于平衡电路的两倍。与二极管平衡电路相比第64页/共93页二极管环形电路二极管环形电路图511实际的环形电路第65页/共93页二极管环形电路二极管环形电路 双平衡混频器组件由精密配对的肖特基二极管及传输线变压器装配而成，装入前经过严格的筛选，能承受强烈的震动、冲击和温度循环，并具有动态范围大、损耗小、频谱纯等特点。第66页/共93页二极管环形电路二极管环形电路 目前双平衡混频器组件的应用已远远超出了混频的范围，作为通用组件，可广泛应用于振幅调制、振幅解调、混频

19、及实现其它的功能。第67页/共93页5.3 5.3 差分对电路差分对电路*第五章第五章 频谱的线性搬移电路频谱的线性搬移电路第68页/共93页单差分对电路单差分对电路第69页/共93页 设1,V2管的1，则有ic1ie2,ic2ie2,可得晶体管的集电极电流与基极射极电压ube的关系为(556)(557)单差分对电路单差分对电路第70页/共93页(558)(559)(564)等效的差动输出电流io与输入电压u的关系式非线性关系双曲正切函数关系单差分对电路单差分对电路c2第71页/共93页图515差分对的传输特性 输入电压很小时,传输特性近似为线性关系,即工作在线性放大区。若输入电压很大,电路呈

20、现限幅状态,两管接近于开关状态。单差分对电路单差分对电路第72页/共93页双差分对电路双差分对电路(578)乘 法 器！第73页/共93页5.4 5.4 其它频谱线性搬移电路其它频谱线性搬移电路*第五章第五章 频谱的线性搬移电路频谱的线性搬移电路第74页/共93页晶体三极管频谱线性搬移电路晶体三极管频谱线性搬移电路图521晶体三极管频谱搬移原理电路第75页/共93页在时变工作点处,将上式对u1展开成泰勒级数,有（586）(587)晶体三极管频谱线性搬移电路晶体三极管频谱线性搬移电路第76页/共93页晶体三极管频谱线性搬移电路晶体三极管频谱线性搬移电路(593)（594）经整理，得第77页/共9

21、3页晶体三极管频谱线性搬移电路晶体三极管频谱线性搬移电路 一般情况下,由于U1U1。求u0(t)的表示式，并与图57所示电路的输出相比较。图57所示电路第89页/共93页54 二极管平衡电路如图所示，u1及u2的注入位置如图所示，图中，u1=U1COS1t，u2=U2COS2t，且U2U1。求u0(t)的表示式，并与图57所示电路的输出相比较。图57所示电路第90页/共93页54 二极管平衡电路如图所示，u1及u2的注入位置如图所示，图中，u1=U1COS1t，u2=U2COS2t，且U2U1。求u0(t)的表示式，并与图57所示电路的输出相比较。第91页/共93页54 二极管平衡电路如图所示，u1及u2的注入位置如图所示，图中，u1=U1COS1t，u2=U2COS2t，且U2U1。求u0(t)的表示式，并与图57所示电路的输出相比较。第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页