高频电子线路：第五章 频谱的线性搬移电路

1、5.1 非线性电路的分析方法5.2 二极管电路 5.3 差分对电路5.4 其它频谱线性搬移电路第5章 频谱的线性搬移电路2022/7/292中心频率改变，频谱结构不变中心频率改变，频谱结构改变 (a)与(b)都产生了新的频率分量，都属于非线性过程； (a)的中心频率改变，频谱结构不变，称为频谱的线性搬移； (b)的中心频率改变，频谱结构改变，称为频谱的非线性搬移。引言：线性搬移非线性搬移2022/7/2935.1 非线性电路的分析方法5.1.1 非线性函数的级数展开分析法2022/7/294工程计算工程计算所允许的准确度范围内，尽量选取少量的项数近似线性近似二次项近似三次项近似小信号线性分析变

2、频分析非线性分析2022/7/295非线性分析2022/7/296所有的频率分量总是成对出现的：除了基波分量外，产生了新的频率分量。谐波分量组合频率分量频率分量特性 偶次频率分量的振幅（包括直流、偶次谐波、和p+q为偶数）只和幂级数偶次项系数有关；奇次频率分量只和奇次项系数有关。 m次频率分量，其振幅只和幂级数中m次项的系数有关。（p和q为包括零在内的正整数）2022/7/297非线性电路完成频谱的搬移输入信号参考信号控制信号二次方项2022/7/2985.1.2 线性时变电路分析法对于弱信号：在控制信号的某一个瞬时值，电路所呈现的微分电导可以认为是常数。时变电路：对于弱信号而言，可以看成是一

3、个参量随时间变化的线性电路。控制信号是时变信号，因此参变量是时变参量，所以电路称为线性时变电路。若一个弱信号加在一个强的控制信号之上2022/7/299线性时变电路! 针对小信号的线性电路将三极管的转移特性在 上展开幂级数：若在以上电路中 为大信号， 为小信号2022/7/2910若控制信号（本振信号）为一单频正弦波，则其时变跨导是周期函数。时变跨导时变静态电流若在以上电路中 为大信号， 为小信号2022/7/2911输出信号中含有的频率分量2022/7/2912线性时变电路完成频谱的搬移2022/7/29135.2 二极管电路 在大信号作用下，二极管电路为非线性电路，可以完成频谱搬移功能。

4、二极管电路广泛应用于振幅调制、振幅解调、混频等功能。 二极管电路具有电路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等优点。 二极管电路的主要缺点是无增益。2022/7/29145.2.1 单二极管电路输入信号参考信号控制信号非线性器件滤波器2022/7/29152022/7/2916时变电导2022/7/29172022/7/2918由以上分析可以看出，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，

5、。 2022/7/2919如果假定条件不满足：1）若U2较小，不足以使二极管工作在大信号状态，二极管特性的折线近似就是不正确的了，因而后面的线性时变电路的等效也存在较大的问题; 开关函数法条件不满足时，可以用级数展开法分析。2）若U2 U1不满足，等效的开关控制信号不仅仅是u2，还应考虑u1的影响，这时等效的开关函数的通角不是固定的2，而是随u1变化的; 3）分析中还忽略了输出电压uo对回路的反作用，这是由于在U2U1的条件下，输出电压uo的幅度相对于u2而言，有U2 Uo，若考虑uo的反作用，对二极管两端电压uD的影响不大，频率分量不会变化，uo的影响可能使输出信号幅度降低。2022/7/2

6、9205.2.2 二极管平衡电路1. 电路 两个二极管性能一致； 两个中心抽头变压器的变比N1：N2=1：1。2022/7/29212. 工作原理假定条件： U2U1，二极管开关主要受 控制； 忽略输出电压的反作用。2022/7/29222022/7/2923与单二极管电路相比较，二极管平衡电路的输出电流中不包含 的基波分量和偶次谐波分量。其原因是：二极管平衡电路的对称性和控制电压相对于两个二极管的同相性抵消了以上的频率分量。2022/7/29242022/7/29252022/7/2926实际电路中，以下两个条件往往不满足：1. 两个二极管性能一致；2. 变压器抽头完全准确。这会导致电路不平

7、衡，使输出端出现本振信号的基波分量（载漏）。为了减小不平衡的程度，需要在电路中采取以下措施：1. 在输出变压器的初级中心抽头处接入50100欧姆的电位器；2. 在二极管支路中串入几百欧姆的平衡电阻。2022/7/2927二极管桥式电路特点： 不需要具有中心抽头的变压器； 四只二极管接成桥路，控制电压直接加在二极管上。原理电路实际电路桥路输出加至晶体管基级，经放大、滤波后输出所需频率分量。2022/7/29285.2.3 二极管环形电路1. 基本电路特点： 四只二极管方向一致，组成一个环路； 控制电压正向加到VD1、 VD2，反向加到VD3、 VD4，随着控制电压的正负变化，两组二极管交替导通和

8、截至。2022/7/2929平衡电路I平衡电路II二极管环形电路又称为二极管双平衡电路。2022/7/29302. 工作原理平衡电路I平衡电路II2022/7/2931环形电路的开关函数波形图2022/7/2932二极管环形电路的输出频率2022/7/2933实际的二极管环形电路为了解决二极管特性参差性问题，将每臂用两只二极管并联。2022/7/2934双平衡混频器组件这种组件是由精密配对的肖特基二极管及传输线变压器装配而成，内部元件用硅胶粘接，外部用小型金属壳屏蔽。双平衡混频器组件的优点：频带宽、动态范围大、损耗小、频谱纯、隔离度高，而且，三个端口可以互换。2022/7/2935例 2 在上

9、图所示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u2，输出信号从射频口输出，如右图所示。忽略输出电压的反作用，可得加到四个二极管上的电压分别为uD1=u1u2 uD2=u1+u2uD3= u1 u2 uD4= u1+u2由此可见，控制电压u2 正相加到VD2、VD4的两端，反向加到VD1、VD3两端。由于有U2 U1，四个二极管的通断受u2的控制，由此可得流过四个二极管的电流与加到二极管两端的电压的关系为线性时变关系，这些电流为：2022/7/2936i1=gDK(2t )uD1i2=gDK(2t)uD2i3=gDK(2t )uD3i4=gDK(2t)uD4这四个电流与输出电

10、流i之间的关系为此结果表明：在其工作频率范围内，从任意两端口输入u1和u2 ，就可在第三端口得到所需的输出。2022/7/29372022/7/2938双平衡混频器组件有很广阔的应用领域，除用作混频器外，还可用作相位检波器、脉冲或振幅调制器、2PSK调制器、电流控制衰减器和二倍频器; 与其它电路配合使，可以组成更复杂的高性能电路组件。应用双平衡混频器组件，可减少整机的体积和重量，提高整机的性能和可靠性，简化整机的维修，提高了整机的标准化、通用化和系列化程度。 2022/7/29395.3 差分对电路频谱搬移电路的核心是相乘器。模拟相乘器的基本概念模拟相乘器是完成两个模拟信号瞬时值相乘功能的电路

11、或器件。理想特性： 广泛应用于通信电路系统，实现调幅，检波和混频等功能。电路符号的三种表示方法：2022/7/2940线性与非线性如果其中一个输入为控制信号，则可视为是时变参量器件模拟相乘器本质上是一个非线性器件产生了新的频率分量模拟相乘器可以做为线性器件和时变参量器件 如果其中一个输入为直流，则可视为线性器件2022/7/2941四象限工作（四象限乘法器）2022/7/29425.3.1 单差分对电路1 电路两管静态工作电流相等2022/7/29432 传输特性2022/7/29442022/7/2945差分对的传输特性2022/7/2946差分对传输特性的讨论1) 小信号输入时2022/7

12、/29472)大信号输入时TUu22022/7/29483）小信号运用时的跨导4）输出电流所含频率分量的傅里叶级数展开：2022/7/29492022/7/29503 差分对频谱搬移电路2022/7/29515.3.2 双差分对电路又称为吉尔伯特（Gilbert）乘法器单元电路，是大多数集成相乘器的核心部分。利用双差分对，以获得理想的相乘器功能,可在四个象限工作。对该电路进一步的改进，可以扩展两个输入信号的线性输入范围。2022/7/29522022/7/2953大信号输入时双差分对电路的输出电压中含有两输入信号奇次谐波所构成的组合频率分量。因此，双差分对电路不能等效为一理想的乘法器。2022

13、/7/2954小信号输入时 实现了两个输入电压的线性相乘； 动态范围太小， ； 增益系数和温度T有关。2022/7/2955作为通用相乘器，Gilbert相乘器有如下缺点小信号输入动态范围小电路的温度稳定性差为了克服上述缺点，需要在电路上采取措施线性电压-电流变换反双曲正切函数变换2022/7/2956用电阻负反馈实现线性电压-电流变换2022/7/2957反双曲正切函数变换两个输入电压的范围得到扩展，增益受稳定影响小。2022/7/2958MC1596内部电路负反馈电阻设置恒流源2022/7/29595.4 其他频谱线性搬移电路5.4.1 晶体管频谱线性搬移电路输入信号幅度很小参考信号幅度很

14、大静态工作点电压 时变静态工作点电压输入信号与参考信号都加到晶体管的发射结，利用其非线性特性，产生两信号频率的组合频率分量，再经集电极输出回路选频，从而达到频谱线性搬移的目的。2022/7/2960晶体管频谱线性搬移电路的基本形式广泛应用于广播、电视、通信设备的接收机。及测量仪器中。电路简单、要求本振信号幅度较小，有变频增益。2022/7/2961以上电路：参考信号 为大信号，输入信号 为小信号。对于输入小信号：在参考信号的某一个瞬时值，电路所呈现的微分跨导可以认为是常数。电路等效为：输入信号为 ，工作点为 的小信号放大器。线性时变电路：时变跨导将三极管的转移特性在 上展开幂级数：2022/7/2962时变工作点电流：时变跨导：2022/7/2963和差频项 有用信号 变频跨导 输出电流与输入电压幅度