第5章频谱的线性搬移电路ppt课件

1、第5章 频谱的线性搬移电路 第第5章频谱的线性搬移电路章频谱的线性搬移电路5.1 非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法 5.2 二极管电路二极管电路 5.3 差分对电路差分对电路5.4 其它频谱线性搬移电路其它频谱线性搬移电路思考题与习题思考题与习题 第5章 频谱的线性搬移电路 两种类型的频谱变换电路两种类型的频谱变换电路 频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。例：振幅调制、解调、混频电路。例：振幅调制、解调、混频电路。 特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。 频谱非线性变换电路：将输入信号的频谱进行特

2、定频谱非线性变换电路：将输入信号的频谱进行特定 的非线性变换。的非线性变换。 例：频率调制与解调电路。例：频率调制与解调电路。 特点：产生新的频谱分量。特点：产生新的频谱分量。 第5章 频谱的线性搬移电路 本章重点：本章重点：1、讨论频谱线性搬移数学模型、讨论频谱线性搬移数学模型2、介绍频谱线性搬移的实现电路、介绍频谱线性搬移的实现电路 频谱的搬移必须用非线性电路来完成，其核心频谱的搬移必须用非线性电路来完成，其核心是非线性器件。是非线性器件。非线性电路的分析方法：非线性电路的分析方法：幂级数法幂级数法线性时变电路分析法线性时变电路分析法第5章 频谱的线性搬移电路 第一节第一节 非线性电路的分

3、析方法非线性电路的分析方法一、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非线性器件的伏安特性：非线性器件的伏安特性：i = f ( u ) UQ为静态工作点，为静态工作点，设设 u UQ+ u1 + u2(5-1)式的泰勒级数展开：式的泰勒级数展开：2n0112212nnn12n 012aa (uu ) a (uu )a (uua (u) u ) iu1 和和 u2 为两个输入电压。为两个输入电压。Qn(n)nQnu U1 d f(u)1af(U )n! dun!nn 0m 0 imn-mmnn12a C uu（5-1）第5章 频谱的线性搬移电路 n一、一、 非线性函数的级数展

4、开分析法非线性函数的级数展开分析法nn12n 0n 0m 0(uu ) imn-mmnn12aC uu分析：分析：（1u2=0，即只有一个输入信号，即只有一个输入信号， 令令u1U1 cos1t01101cosnnnnnnntUauai利用三角公式利用三角公式nn11n 0ib U cosnt 当只加一个信号时，只能得到输入信号频率的基波分量当只加一个信号时，只能得到输入信号频率的基波分量和各次谐波分量，但不能获得任意频率的信号，也不能完和各次谐波分量，但不能获得任意频率的信号，也不能完成频谱在频域上的任意搬移。成频谱在频域上的任意搬移。第5章 频谱的线性搬移电路 分析：分析：（2有两个信号有

5、两个信号u1和和u2作用于非线性器件作用于非线性器件一、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nn0m0 imn-mmnn12a Cuu利用三角函数利用三角函数积化和差公式积化和差公式设设u1U1cos1t，u2U2cos2tp qpqcos(pq)t i,12C+组合频率有组合频率有 p, q=|p1q2|结论：结论： 由于器件的非线性特性，其输出端不仅包含了输入信号由于器件的非线性特性，其输出端不仅包含了输入信号的频率分量，还有输入信号频率的各次谐波分量以及输入的频率分量，还有输入信号频率的各次谐波分量以及输入信号频率的组合分量。信号频率的组合分量。第5章 频谱的线性搬

6、移电路 分析：分析：（2有两个信号有两个信号u1和和u2作用于非线性器件作用于非线性器件一、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p qpqcos(pq)t i,12C+组合频率有组合频率有 p, q=|p1q2| 凡是凡是 p+q p+q 为偶数的组合分量，均由幂级数中为偶数的组合分量，均由幂级数中 n n 为偶数且为偶数且大于等于大于等于 p+q p+q 的各次方项产生的；的各次方项产生的； 凡是凡是 p+q p+q 为奇数的组合分量均由幂级数中为奇数的组合分量均由幂级数中 n n 为奇数且为奇数且大于等于大于等于 p+q p+q 的各次方项产生的。的各次方项产生的。这

7、些组合频率分量产生的规律这些组合频率分量产生的规律:nn12n 0n 0m 0(uu ) imn-mmnn12aC uu第5章 频谱的线性搬移电路 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 频谱搬移电路必须具有频谱搬移电路必须具有选频功能。选频功能。 大多数频谱搬移电路所大多数频谱搬移电路所需的是非线性函数展开式中需的是非线性函数展开式中的平方项，或者说，是两个的平方项，或者说，是两个输入信号的乘积项。输入信号的乘积项。(1) 从非线性器件的特性考虑。从非线性器件的特性考虑。(2) 从电路考虑。从电路考虑。(3) 从输入信号的大小考虑。从输入信号的大小考虑。如何实现接近理

8、想的乘法运算？如何实现接近理想的乘法运算？p qpqcos(pq)t i,12C+第5章 频谱的线性搬移电路 二、线性时变电路分析法二、线性时变电路分析法Q12f(Uuu )i2Q2Q21Q21(n)nQ211f(Uu ) f (Uu )uf (Uu )u.2!1f (Uu )u.n!若若u1足够小足够小Q2Q21if(U +u )+f (U +u ) unQ2n2n 0f(Uu ) a un 1Q2n2n 1f (Uu ) na u其中：其中：时变静态电流时变静态电流时变电导或跨导时变电导或跨导第5章 频谱的线性搬移电路 二、线性时变电路分析法二、线性时变电路分析法Q12f(Uuu )iQ2

9、Q21f(U +u )+f (U +u ) uii I0(t) + g(t)u1：线性时变工作状态！：线性时变工作状态！分析：分析：设设u1U1cos1t，u2U2cos2t，QQ22U (t) UU cost时变偏置电压：时变偏置电压：0Q22I (t)f(UU cost)Q22g(t) f (UU cost)00012022II cost I cos2t 01222gg cost g cos2 t 时变静态电流：时变静态电流：时变电导或跨导：时变电导或跨导：第5章 频谱的线性搬移电路 二、线性时变电路分析法二、线性时变电路分析法线性时变工作状态！线性时变工作状态！0Q2200012022I

10、 (t)f(UU cost)II cost I cos2t Q2201222g(t)f (UU cost)gg costg cos2t 线性时变电路虽然线性时变电路虽然大大减少了组合频率分大大减少了组合频率分量的数目，但仍有大量量的数目，但仍有大量的不需要的频率分量，的不需要的频率分量，故需要用滤波器选出所故需要用滤波器选出所需的频率分量。需的频率分量。i I0(t) + g(t)u1线性时变电路完成频谱的搬移线性时变电路完成频谱的搬移频率分量为频率分量为 分量中只有分量中只有2的各次谐波分量的各次谐波分量和其与和其与1的组合分量。的组合分量。第5章 频谱的线性搬移电路 例例1 一个晶体二极管

11、一个晶体二极管,用指数函数逼近它的伏安特性用指数函数逼近它的伏安特性,即即 (521) 在线性时变工作状态下在线性时变工作状态下,上式可表示为上式可表示为 式中式中 将将u1=0时的电压时的电压代入代入i 得到得到将将u1=0时的电压代时的电压代入入i 求导得到求导得到第5章 频谱的线性搬移电路 第二节第二节 二二 极极 管管 电电 路路二极管电路的优点：二极管电路的优点：电路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等。电路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等。二极管电路的主要缺点：二极管电路的主要缺点：一、单二极管电路一、单二极管电路无增益。无增益。输入信号：输入信号：u1控制信号：控

12、制信号：分析：分析：u2 U2 cos2tU2 0.5 V，且有，且有 U2 U1忽略输出电压忽略输出电压 u0 对回路的反作用。对回路的反作用。二极管两端的电压二极管两端的电压 uD : uD= u1 + u2第5章 频谱的线性搬移电路 一、单二极管电路一、单二极管电路输入信号：输入信号：u1控制信号：控制信号：分析：分析：u2U2 cos2tU20.5 V，且有，且有U2U1uD= u1 + u2二极管伏安特性二极管伏安特性折线近似折线近似DDDpDDpg u uUi0 u Up 令令Up =0第5章 频谱的线性搬移电路 一、单二极管电路一、单二极管电路分析：分析：2D2D Dg u i0

13、 u0u 0DD2Dig K(t)u2221 u0K(t)0 u 0 Dg(t)uuD= u1 + u2开关函数开关函数第5章 频谱的线性搬移电路 一、单二极管电路一、单二极管电路分析：分析：DD2Dig K(t)u2221 u0K(t)0 u U1且且若忽略输出电压的反作用，若忽略输出电压的反作用，则则uD1 、uD2：uD1 =u2 + u1 uD2 =u2u1电流电流i1、i2分别为：分别为：1D221i =g K(t)(uu )2D221i =g K(t)(uu ) i1、i2在在T2次级产次级产生的电流分别为生的电流分别为: 1121L1iiNNi2221L2iiNNi第5章 频谱的

14、线性搬移电路 2 工作原理工作原理二、二极管平衡电路二、二极管平衡电路1D221i =g K(t)(uu )2D221i =g K(t)(uu )1121L1iiNNi2221L2iiNNi次级总电流：次级总电流：LL1L122iiiiiD212g K(t)u考虑考虑u1U1cos1tLD11D1D1D1D21211212122ig U cost g U cos()tg U cos()t22 g U cos()tg U cos()t3333 第5章 频谱的线性搬移电路 2 工作原理工作原理二、二极管平衡电路二、二极管平衡电路频率分量有频率分量有: (1) 1; (2) 组合分量组合分量(2n1

15、)2+1 ，n=0，1，2，。LD11D1D1D1D21211212122ig U cost g U cos()tg U cos()t22 g U cos()tg U cos()t3333 如何减少控制信号的泄漏？如何减少控制信号的泄漏？保证电路的对称性！保证电路的对称性！第5章 频谱的线性搬移电路 二极管桥式电路二极管桥式电路如何保证电路的对称性如何保证电路的对称性?(1) 选用特性相同的二极管选用特性相同的二极管; 用小电阻与二极管串接，使二极管等效正、反向电阻彼此接近。用小电阻与二极管串接，使二极管等效正、反向电阻彼此接近。(2) 变压器中心抽头要准确对称；变压器中心抽头要准确对称；采用

16、双线并绕法绕制变压器，并在中心抽头处加平衡电阻。采用双线并绕法绕制变压器，并在中心抽头处加平衡电阻。（3要选择开关特性好的二极管，如热载流子二极管。要选择开关特性好的二极管，如热载流子二极管。第5章 频谱的线性搬移电路 实际桥式电路实际桥式电路图图 5-8 二极管桥式电路二极管桥式电路二极管桥式电路二极管桥式电路第5章 频谱的线性搬移电路 三、二极管环形电路三、二极管环形电路u2正半周时：正半周时：u2负半周时：负半周时：负载负载RL上产生的总电流：上产生的总电流：LL1L2iii第5章 频谱的线性搬移电路 三、二极管环形电路三、二极管环形电路负载负载RL上总电流：上总电流：LL1L2iii3

17、D212ig K(t)( uu ) 4D212ig K(t)(uu )L234D21iii2g K(t)u 又：又：L1D21i2g K(t)uL1L2D122L= i+i2g u K(t)K(t)iD122g u K(t)得到：得到：第5章 频谱的线性搬移电路 负载负载RL上产生上产生 的总电流为：的总电流为：LD12L122g(t)iuiKLi三、二极管环形电路三、二极管环形电路2222n 124K(t)cost4cos3 t34cos5 t54 ( 1)cos(2n 1)t(2n 1) 第5章 频谱的线性搬移电路 负载负载RL上产生的总电流：上产生的总电流：2222n 12444K(t)

18、costcos3tcos5t354 ( 1)cos(2n 1)t(2n 1) 当当 u1=U1cos1t 时，时，L21D1D1D1D1D12122112D211144g U cos()tg U cos()t44 g U cos()tg U cos()t3344 g U cos()tg U cos()t535535 i双向开关函数：双向开关函数：输出电流：输出电流：分析电流成分：分析电流成分：LD12L122g(t)iuiKLi第5章 频谱的线性搬移电路 图图5 - 11 实际的环形电路实际的环形电路1、将每臂用两个二极管并联、将每臂用两个二极管并联解决二极管特性参差性问题解决二极管特性参差性

19、问题1234第5章 频谱的线性搬移电路 2、采用环形电路组件、采用环形电路组件解决二极管特性参差性问题解决二极管特性参差性问题双平衡混频器组件电原理图双平衡混频器组件电原理图双平衡混频器组件的外壳双平衡混频器组件的外壳第5章 频谱的线性搬移电路 例例 2 在图在图5-13的双平衡混频器组件的本振口加输入信号的双平衡混频器组件的本振口加输入信号u1，在中频口加控制信号在中频口加控制信号u2，输出信号从射频口输出。忽略输出，输出信号从射频口输出。忽略输出电压的反作用。电压的反作用。 uD1=u1u2 uD2=u1+u2 uD3=u1 u2 uD4=u1+u2 i1=gDK(2t )uD1 i2=g

20、DK(2t)uD2 i3=gDK(2t )uD3 i4=gDK(2t)uD41234D21 2()iiiiig Kt u 第5章 频谱的线性搬移电路 作 业 5-1 5-2 5-3第5章 频谱的线性搬移电路 第三节第三节 差差 分分 对对 电电 路路单差分对电路单差分对电路1. 电路电路双差分对电路双差分对电路一、单差分对电路一、单差分对电路两个晶体管和两个电阻精密配对；两个晶体管和两个电阻精密配对；恒流源恒流源 I0 I0 为对管提供射极电流；为对管提供射极电流；输出方式可采用单端输出，输出方式可采用单端输出， 也可采用双端输出。也可采用双端输出。两管静态工作电流相等两管静态工作电流相等20

21、21IIIee第5章 频谱的线性搬移电路 21bebeuuu其中2. 传输特性传输特性c1ic2ioc2c1uuu双端输出：双端输出：CCc2LCCc1L(Ui R ) (Ui R )c1c2L(ii )R设设1、V2管的管的1， 那么那么 ic1ie1，ic2ie2be1be1TuquUkTc1ssiI eI eToc2uUIi1 eToc1uUIi1 ebe2be2TuquUkTc2ssiI eI e)1 ()1 ()(1221221021bebeTuuVcccccceiiiiiiI210cciiI第5章 频谱的线性搬移电路 2. 传输特性传输特性oc2c1uuu双端输出：双端输出：c1c

22、2L(ii )RL oTuR I tanh2U差动输出电流差动输出电流i 0与输入电压与输入电压u的关系式：的关系式：差分电流差分电流i0为观察为观察ic1,ic2随输入电压的随输入电压的u的变化规律，的变化规律，用用ic1-I0/2(静态工作电流静态工作电流)所以所以=RLi0TUuIi2tanh00第5章 频谱的线性搬移电路 2. 传输特性传输特性分析：分析：1) ic1、ic2 、io与差模输入电压与差模输入电压u是是非线性关系，与恒流源非线性关系，与恒流源I0成线性关系。成线性关系。双端输出时，直流抵消，交流输出加倍！双端输出时，直流抵消，交流输出加倍！差分电流：差分电流：TUuIi2

23、tanh00第5章 频谱的线性搬移电路 输出电流输出电流i 0与输入电压与输入电压u的关系式：的关系式：2. 传输特性传输特性分析：分析： 2) 输入电压很小时，传输特性近似为线性输入电压很小时，传输特性近似为线性关系，即工作在线性放大区。关系，即工作在线性放大区。当当|u|UT26 mV时，时， 3) 若输入电压很大，一般若输入电压很大，一般 |u| 100 mV时，电路呈时，电路呈限幅状态，两管接近于开关状态。限幅状态，两管接近于开关状态。TUuIi2tanh00TTUuIUuIi22tanh000第5章 频谱的线性搬移电路 2. 传输特性传输特性分析：分析：4) 小信号运用时的跨导即为传

24、输特性线性区小信号运用时的跨导即为传输特性线性区的斜率，它表示电路在放大区输出时的放大的斜率，它表示电路在放大区输出时的放大能力。能力。omu0igu00TI20I2U 该式表明，该式表明，gm与与I0成正比。若成正比。若I0随时间变化，随时间变化，gm也随时间变化，成为时变跨导也随时间变化，成为时变跨导gm(t)。 因而，可用控制因而，可用控制I0的办法组成线性时变电路。的办法组成线性时变电路。输出电流输出电流i 0与输入电压与输入电压u的关系式：的关系式：TUuIi2tanh00第5章 频谱的线性搬移电路 5) 当输入差模电压当输入差模电压u=U1 cos1t 时，由传输特性时，由传输特性

25、可得可得i o波形。波形。o113151o2111 ( )cos( )cos3( )cos5 ( )cos(21)nnIxtxtxtIxnt2. 传输特性传输特性ooTuiI tanh2U1TUxU系数系数第5章 频谱的线性搬移电路 3. 差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路线性通道：线性通道：非线性通道：非线性通道：滤波回路：滤波回路：大电阻大电阻Re“长尾偶电路长尾偶电路” 可削弱可削弱V3的发射结的发射结非线性电阻的作用。非线性电阻的作用。TUuIi2tanh00第5章 频谱的线性搬移电路 差分对电路的可控通道有两个：差分对电路的可控通道有两个：一个为输入差模电压一个为输入差模电压,另一

26、个为电流源另一个为电流源I0;故可把输入信号和控制信号分别故可把输入信号和控制信号分别控制这两个通道。控制这两个通道。由由 可知可知 i0与与I0为线性关系，为线性关系， 所所以电流源为线性通道。以电流源为线性通道。 i0与与u为非线性关系，为非线性关系， 所所以差模输入为非线性通道。以差模输入为非线性通道。3. 差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路第5章 频谱的线性搬移电路 3. 差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路Bbe3e3eEEuui RU0I (t)0e3I (t)i当忽略当忽略ube3后：后：EEBeeUuRRB0EEuI (1)UooTui (t)I tanh2U又：又：所以：所

27、以：ooTui (t)I (t)tanh2UBAoEETuuI (1)tanhU2U差动输出电流差动输出电流时变恒流源电流时变恒流源电流第5章 频谱的线性搬移电路 3. 差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路BA0oEETuui (t)I (1)tanhU2U考虑考虑|uA|26 mV时，有时，有BA0oEETuui (t)I (1)U2U因而，可以构成频谱线性搬移电路！因而，可以构成频谱线性搬移电路！第5章 频谱的线性搬移电路 二、二、双差分对电路双差分对电路I13ii + iII42ii + iB560Tuii =I tanh()2U0IIIiii第5章 频谱的线性搬移电路 二、双差分对电路

28、二、双差分对电路0IIIiii01243i(ii )(ii )51AT2ui taiinh()2U64AT3ui taiinh()2UA056Tui(ii )tanh()2UB560Tuii =I tanh()2UI13ii + iII42ii + iAB00TTuuiI tanh()tanh()2U2U时变恒流源电流时变恒流源电流差动输出电流差动输出电流尾管查分对的差动输出电流尾管查分对的差动输出电流第5章 频谱的线性搬移电路 二、双差分对电路二、双差分对电路AB00TTuuiI tanh()tanh()2U2U 双差分对的差动输出电流双差分对的差动输出电流i0与两个输入电压与两个输入电压u

29、A、uB之之间均为非线性关系。间均为非线性关系。当当 u1=U1 cos1t ，u2=U2 cos2t 时，时，o02m 112n 1212m 0n 0iI(x )(x )cos(2m 1)tcos(2n 1)t （式中，（式中，x1=U1UT，x2=U2UT）第5章 频谱的线性搬移电路 二、双差分对电路二、双差分对电路AB00TTuuiI tanh()tanh()2U2U若若U1、U2 26 mV12o0TTuuiI2U2U0122TIu u4U当当 u1=U1 cos1t ，u2=U2 cos2t 第5章 频谱的线性搬移电路 二、双差分对电路二、双差分对电路e2R当每管的可忽略，当每管的可

30、忽略，bb re2e6be6e2e5be5B2121RiuRiuu若若Re2足够大，满足深反馈条件足够大，满足深反馈条件e5e6e2be5be61(ii )Ruu2Be5e6e21u(ii )R256e21(ii )R2 接入负反馈电阻，接入负反馈电阻，V5和和V6的差动输出电流的差动输出电流近似与近似与uB成正比，而与成正比，而与I0的大小无关。的大小无关。第5章 频谱的线性搬移电路 B56e21u(ii )R2二、双差分对电路二、双差分对电路e2Re5e5e6e2Te6i1(ii )RU ln2i当当时时e5e60iiI又又uB的最大动态范围：的最大动态范围：220e2B0IRuIBA0e

31、2T2uuitanhR2U第5章 频谱的线性搬移电路 二、双差分对电路二、双差分对电路uB的最大动态范的最大动态范围围:220e2B0IRuIBA0e2T2uuitanhR2Ve2R 施加反馈电阻后，双差分对电路工施加反馈电阻后，双差分对电路工作在线性时变状态或开关工作状态，因作在线性时变状态或开关工作状态，因而特别适合作为频谱搬移电路。而特别适合作为频谱搬移电路。差动输出电流差动输出电流:第5章 频谱的线性搬移电路 3、图、图5-20为为Mortorola MC1596内部电路图，它是以双差分内部电路图，它是以双差分电路为基础，在电路为基础，在Y输入通道加入了反馈电阻，故输入通道加入了反馈电

32、阻，故Y通道输入通道输入电压动态范围较大，电压动态范围较大，X通道输入电压动态范围很小。通道输入电压动态范围很小。1、双差分电路具有结构简单，有增益，不用变压器，易、双差分电路具有结构简单，有增益，不用变压器，易于集成化，对称性精确，体积小等优点，因而得到广泛的于集成化，对称性精确，体积小等优点，因而得到广泛的应用。应用。2、双差分电路是集成模拟乘法器的核心。、双差分电路是集成模拟乘法器的核心。 模拟乘法器种主要指标有模拟乘法器种主要指标有: 工作频率、电源电压、输入工作频率、电源电压、输入电压动态范围、线性度、带宽等。电压动态范围、线性度、带宽等。MC1596工作频率高，常用做调制、解调和混

33、频。工作频率高，常用做调制、解调和混频。二、双差分对电路二、双差分对电路第5章 频谱的线性搬移电路 载波载波调制信号调制信号输出输出扩展动态范围扩展动态范围恒流源恒流源第5章 频谱的线性搬移电路 第四节第四节 其它频谱线性搬移电路其它频谱线性搬移电路一、晶体三极管频谱线性搬移电路一、晶体三极管频谱线性搬移电路u1：输入信号：输入信号u2：参考信号：参考信号21UU且且cbecebeif(u , u )f(u )cbe12BBif(u )f(uuU )BB1= f U (t) + u 时变工作点：时变工作点：BB2BBU (t) = uU在时变工作点处作泰勒级数展开：在时变工作点处作泰勒级数展开：2cBBBB1BB1(n)nBB11ifU(t) f U(t)uf U(t)u21 fU(t)un!第5章 频谱的线性搬移电路 一、晶体三极管频谱线性搬移电路一、晶体三极管频谱线性搬移电路2cBB