学科-大三上高频通信电路

高频电子线路（八）华南师范大学信息光电子科技学院二零一五年4.1石英晶振在振荡器中的应用频率稳定度非常高Q值很高、接入系数很小、温度系数小串联与并联谐振频率间隔很小，在该区间，等效感抗的变化斜率很大。第四章总结（二）晶体振荡电路振荡频率基本由晶振决定。基波或泛音。作为等效电感皮尔斯振荡电路：类似电容三端的改进（克拉泼电路）密勒振荡电路：类似电感三端，一般使用场效应管。利用栅漏之间的密勒电路为回路电容。串联型晶体振荡电路：用于正反馈支路，在串联频率上起振，此时反馈最强。相当于短路。泛音晶振电路：回路中有LC回路，巧妙利用三端相位判据，使低次泛音不能产生振荡。压控振荡器压控振荡器（VCO）：通过控制电压改变电抗元件的电抗值，使振荡频率随外加电压而变化。在频率调制、合成、锁相环等方面广泛应用。常用变容二极管实现。工作在反向偏压状态。需要负的静态电流偏压－UQ。并同时加上低频控制电压uΩ实现变容。所以在分析等效电路时包括：振荡电路的直流、交流等效电路。变容二极管的直流、交流等效电路。t0u－u00CjCj(t)Cj(0)CjQUQUWmtＣj（0）为外加电压u＝０时的结电容值。UB为ＰＮ结的内建电位差，ｎ为变容指数。u=-(UQ+uΩ)=-(UQ+UΩmcosΩt)静态结构电容结电容调制度变容二极管压控振荡器将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中，一般可采用三端振荡电路。需要分析晶体管的直流通路，高频振荡电路；变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。注意高频扼流圈与高频旁路电容的作用。对高频信号：高频扼流圈断路，旁路电容短路。对低频信号：高频扼流圈短路，旁路电容断路。＋15VR4R3－15V1000pC41pC1R41000pC3R3470－15V0.5pC2Cj1000pC5R2R110VuW15VL15V10VR1R2Cj变容二极管的反向电阻很大。直流等效电路：所有电感短路，电容断路。对晶体管，变容二极管看成电容，断路。1000pC41pC1R41000pC3R3470－15V0.5pC2Cj1000pC5R2R110VuW15VLLCjC2C1R4CjuW交流等效电路：高频：高频扼流圈开路，耦合、旁路电容短路。即电感、电容值大的应处理，小的为工作电感电容，保留。低频：电感都短路，旁路电容断路。压控振荡器的主要性能指标压控灵敏度和线性度。变容二极管压控振荡器的频率—电压特性压控灵敏度是非线性的，其非线性程度与变容指数和电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度也较高。提高压控振荡器中心频率稳定度。通常是利用变容二极管控制并联型的晶体振荡电路的振荡频率—直接调频。晶体压控振荡器CjC1300pC2470p晶体压控振荡高频等效电路电路的频率控制范围仅在晶振的串联谐振频率ｆs与并联谐振频率ｆp之间。X0fsfpf要求增大频率控制范围：在晶振支路串联或并联一个电感。C0CqLqLLqCqC0L相当于使晶振本身的串联谐振频率ｆs左移BB10fsfpB2f相当于使晶振本身的并联谐振频率ｆp右移X0fsfpf集成电路振荡器差分对管振荡电路LCUBBUCCV2V1RL＋－oU&I0V1V2RLCLRee＋－oU&＋－iU&在振荡频率点,并联ＬＣ回路阻抗最大,正反馈电压uf（=uo）最强,且满足相位稳定条件。共集-共基电路偏置电路放大电路图4.6.2单片集成振荡器E1648内部电路图LC并联回路图4.7.2高频头中的本振电路从射极看，电容三端。开关二极管V1受频段选择的控制V1导通，则被短路，工作频率高图4.7.3本振交流等效电路(a)L频段；(b)H频段第五章频率变换电路的特点

及分析方法频率变换电路：输出信号的频谱中产生了输入信号频谱中没有的频率分量。小信号放大、功率放大：不是频率变换电路。前者工作在晶体管的线性范围，后者利用选频网络取出有用频率分量而滤除其它无用频率分量。调制、解调、混频都属于频率变换。音频或视频信号音频或视频放大调制高频功放高频放大混频中频放大解调音频或视频功放本地振荡高频放大倍频高频振荡从频谱的角度来看：调制是把低频的调制信号频谱变换为高频的已调波频谱；解调恰与调制相反，它把高频的已调波频谱变换为低频的调制信号频谱；混频则把高频的已调波频谱变换为中频的已调波频谱。数学表达式中频率分量的分析写成余弦、正弦函数的和、差形式，乘积项要用三角函数的积化和差：

sinαsinβ=-[cos(α-β)-cos(α+β)]/2

cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

sinαcosβ=[sin(α+β)+sin(α-β)]/2

cosαsinβ=[sin(α+β)-sin(α-β)]/2三角函数式的傅里叶级数任意周期函数有：偶函数项奇函数项偶函数的傅立叶级数只含偶函数项,奇函数的傅立叶级数只含奇函数项.直流系数余弦分量系数正弦分量系数频率变换功能由非线性元器件产生：非线性电阻性元器件（非线性伏安特性）晶体管：输入、输出、转移特性丙类功放：多次谐波振荡器：高次谐波对波形的影响，互感耦合振荡器、电感三端波形不好。非线性电容性元器件（非线性库伏特性）变容二极管非线性元器件频率变换特性的分析方法近似逼近。在不同工作状态，使用不同的函数。折线函数分析法指数函数分析法幂级数分析法0iu以晶体二极管伏安特性为例。折线函数分析法0iu适用于大信号分析二极管的伏安特性与晶体管类似。功放的集电极电流分析用折线法。由于是周期性的钟形脉冲，因此可以用傅里叶级数展开iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt+…在导通时导通角为θ，当输入电压为直流偏压上迭加单频余弦波时：当输入电压为直流偏压上迭加单频余弦波时，集电极电流中的频率分量：ωo=nωs

n=0,1,2,…指数函数分析法QUQ0i指数特性实际特性u适用于小信号分析晶体二极管的正向伏安特性指数函数：利用指数函数的幂级数展开若u=UQ+Uscosωst,但是输出电流中除了直流和ωs分量外,还出现了ωs的二次及以上各次谐波分量。虽然输入电压中仅有直流和ωs分量,u=UQ+Uscosωst,输出电流的频率分量可表示为：ωo=nωs

n=0,1,2,…幂级数分析法假设晶体二极管的非线性伏安特性可用某一个函数i=f(u)表示。此函数表示的是一条连续曲线。如果在自变量u的某一点处(例如静态工作点UQ)存在各阶导数,则电流i可以在该点附近展开为泰勒级数:输出电流的频率分量可表示为：ωo=nωs

n=0,1,2,…因此，非线性元器件的特性分析是建立在函数逼近的基础之上。当工作信号大小不同时,适用的函数可能不同。不同元器件的适用函数也不相同。例已知结型场效应管的转移特性可用平方律函数表示，分析它的频率变换特性。解：设输入电压其中UG是栅极直流偏压，则输出电流为只产生了一个新的2ωs频率分量例已知变容二极管结电容Cj与两端电压u的非线性关系如图所示,分析流经变容二极管的电流i与u之间的频率变换关系,并与线性电容器进行比较。CjCj(t)CmaxC0Cmintu0Us－UQt0解：当u=-UQ+Uscosωst时对于线性电容器,电容量C是一常数。所以线性电容器无频率变换功能。CjCj(t)CmaxC0Cmintu0Us－UQt0对于变容二极管，当u=-UQ+Uscosωst时,结电容Cj是一个周期性的略为失真的余弦函数,故可展开为傅里叶级数：所以变容二极管有频率变换功能。i中的频率分量为：ωo=nωs

n=0,1,2,…当有两个不同频率信号共同作用在非线性电路时，考虑输出信号的频谱。如：一个为高频载波，一个为低频信号。不但要求产生需要的频谱搬移，而且要求容易滤波。有用的是和频和差频，其他要滤除。例已知晶体管基极输入电压为uBE=UQ+u1+u2,其中u1=Um1cosω1t,u2=Um2cosω2t,求晶体管集电极输出电流中的频率分量。解：设晶体管转移特性为iC=f(uB),用幂级数分析法将其在UQ处展开为将u1=Um1cosω1t,u2=Um2cosω2t代入上式,然后对各项进行三角函数变换,则可以求得iC中频率分量的表达式

ωo=|±pω1±qω2|p、q=0,1,2,…

所以,输出信号频率是两个不同输入信号频率各次谐波的各种不同组合,包含有直流分量。iC=a0+a1(u1+u2)+a2(u1+u2)2+…+an(u1+u2)n+…ω1ω2uBE信号的频谱ωω电流iC(t)的频谱…ω13ω12ω1……ω22ω2ω2-ω1ω2+ω1ω2+2ω1ω2-2ω12ω2+ω12ω2-ω12ω2+2ω12ω2-2ω1有用部分易滤除部分不易滤除部分设ω2>

ω1，则：nω2±ω1容易滤除，ω2±nω1难以滤除。频率变换电路的特点与非线性失真分析两大类频率变换电路线性频率变换电路：倍频、调幅、检波、混频。输出信号频谱与输入信号频谱是简单的线性关系。ωo=Nωs，ωo=ω1±ω2非线性频率变换电路：调频、鉴频。输出信号频谱与输入信号频谱之间产生了非线性变换。产生过多的新频率分量：造成有用信号的非线性失真为减少输出信号中大多数无用的组合频率分量，措施：滤波器采用场效应管取代晶体管，平方律特性。使晶体管工作在线性时变状态或开关状态采用多个晶体管组成平衡电路线性时变工作状态要求产生两个迭加输入信号ω1、ω2的和频或差频。晶体管输出电流里含有输入信号频率的任意组合分量：ωo=|±pω1±qω2|p、q=0,1,2,…

尽量减少不需要的频率组合分量。线性时变工作状态:u2+-+-u1UQUCCLu2<<u1：幅值特点晶体管的工作状态主要由UQ与u1决定。在交变工作点(UQ+u1)处将输出电流iC展开为幂级数：u2+-+-u1UQUCCLu2很小,故可以忽略u2的二次及以上各次谐波分量,由此简化为iC≈f(UQ+u1)+f′(UQ+u1)u2=I0(t)+g(t)u2其中I0(t)=f(UQ+u1),g(t)=f′(UQ+u1)I0(t)与g(t)均是与u2无关的参数,故iC与u2可看成一种线性关系,但是I0(t)与g(t)又是随时间变化的,所以将这种工作状态称为线性时变工作状态。iu0UQ0u1uUm1tg0u0tg(t)I0(t)t0iC≈f(UQ+u1)+f′(UQ+u1)u2=I0(t)+g(t)u2其中I0(t)=f(UQ+u1),g(t)=f′(UQ+u1)I0(t)从转移曲线，以及u1随时间变化而对应来。g从转移曲线的斜率对应来。g(t)从g以及u1随时间变化而对应来。iu0UQ0u1uUm1tg0u0tg(t)I0(t)t0iC≈f(UQ+u1)+f′(UQ+u1)u2=I0(t)+g(t)u2g(t)=g0+gncosnω1t都是周期性变化，可展开为傅立叶级数：含有直流分量,ω1的各次谐波分量以及|±nω1±ω2|分量(n=0,1,2,…)。特例：开关工作状态--u1的振幅足够大，晶体管转移特性可采用两段折线表示。如：在UQ=0时，iCgDI0(t)0u0g(t)ggDuu100p23p25p2w1tp23p25p2w1tUm1w1tp23p25p2iC≈f(UQ+u1)+f’(UQ+u1)u2=I0(t)+g(t)u2在u=u1大于0时，是u的gD倍，在u小于0时，为0。在u=u1大于0时，是gD，在u小于0时，为0。0p23p25p2w1t…7p2K1(w1t)1单向开关函数：幅值为1的单向周期方波iCgDI0(t)0u0g(t)ggDuu100p23p25p2w1tp23p25p2w1tUm1w1tp23p25p2在u=u1大于0时，是u的gD倍，在u小于0时，为0。在u=u1大于0时，是gD，在u小于0时，为0。iC中的组合频率分量进一步减少,但有用的和频及差频|±ω1±ω2|仍然存在。iC中含有：差分对管的平衡抵消作用V1V2＋－u1iC2iC1I0I0＝A＋Bu2恒流源I0与控制电压u2是线性关系,有I0=A+Bu2,A、B均为常数,分析差分对管输出电流i=iC1-iC2中的频率分量。已知u1=U