笫4章 非线性电路及其分析方法3

笫4章非线性电路及其分析方法

一、非线性电路的基本概念与非线性元件非线性电路的基本概念非线性元件二、非线性电路的分析方法非线性电路与线性电路分析方法的异同点非线性电阻电路的近似解析分析：幂级数分析法、折线分析法三、非线性电路的应用举例C类谐振功率放大器D类和E类功率放大器倍频器跨导线性回路与模拟相乘器四、时变参量电路与变频器本章要点2001年9月--12月1《通信电路原理》--无九四、时变参量电路与变频器

1、参变电路与常用参变电路类型2、时变参量线性电路3、变频电路4、变频干扰2001年9月--12月2《通信电路原理》--无九1、参变电路与常用参变电路类型定义：若电路中仅有一个参量受外加信号的控制而按一定规律变化时，称这种电路为参变电路，外加信号为控制信号。

跨导g虽不是正弦形信号，但是一个周期性信号。

外加信号是正弦形信号。2001年9月--12月3《通信电路原理》--无九1、参变电路与常用参变电路类型（续1）分类（由引起参量变化的原因分类）：一类是人们有意识地构成的参变电路，例如，后面将要讨论的变频电路、调幅电路、直接调频振荡器电路等。

一类是不受人们控制的参变电路。例如：作为移动通信信道的自由空间，它的延时、衰减等参量不能控制。

常用参变电路：电阻性和电容性参变电路。（1）电阻性参变电路电阻性参变电路的参量选择为i-v曲线的微分斜率，常用跨导表示。例如：变频电路。（2）电容性参变电路电容性参变电路的参量选择为微分电容，即Q-V曲线的微分斜率。例如，变容二极管的微分电容随加于变容管两端电压的变化曲线。用于直接调频振荡器电路。2001年9月--12月4《通信电路原理》--无九2、时变参量线性电路

时变参量线性电路的正常工作状态具有两个输入信号，一个是控制信号，通常为强信号；一个是被处理信号，通常是弱信号。

对被处理信号来说，在控制信号为某一瞬时值时，电路所呈现的微分斜率可以认为是常数，在这种情况下，参变电路对于可以看成是一个参量变化的线性电路。

模拟乘法器电路也可看作是时变参量电路的一种。则可视为的时变电压放大倍数。

对控制信号来说，可以看成是一个参量变化的电路。2001年9月--12月5《通信电路原理》--无九2、时变参量线性电路（续1）

与同时作用于电路示意图（p232）2001年9月--12月6《通信电路原理》--无九3、变频电路（convertor)（1）变频电路的工作原理变频是将两个不同信号加到非线性器件上进行频率变换，取出其差频或和频－－中频。是超外差式接收机的重要组成部分。频域上：变频电路是实现信号频谱线性变换的一种电路，它完成频谱在频率轴上的搬移。－－只变载频不改变已调信号的频谱结构。作为时变参量线性电路，在工作时，除输入信号外，还应有一控制信号。在变频电路中，输入信号通常为一已调信号。控制信号通常为一单频正弦信号，在接收机中，习惯将控制信号称为本地振荡信号或简称本振信号，频率为。

变频电路有两类：一类是电路中自身产生控制信号；一类需由外部输入控制信号。通常称前者为变频器，后者为混频器。(mixer)

变频v1v2非线性器件2001年9月--12月7《通信电路原理》--无九通常，将输出频率高于的变频器称为上变频器，反之，称为下变频器。一般，接收机采用下变频，发射机采用上变频。输入信号载频本振频率与中频频率的关系（2）变频电路的主要技术指标

变频增益：变频增益是指变频器的输出信号功率和输入信号功率之比。常用分贝表示，即：2001年9月--12月8《通信电路原理》--无九（2）变频电路的主要技术指标（续）

噪声系数：由于接收机整机噪声系数主要取决于前级电路的噪声性能，特别是在没有高频放大器的情况下，变频电路的噪声系数对整机影响较大。

工作稳定性：是指控制信号（本振信号）频率稳定度。线性范围：1dB压缩电平：比线性增长低于1dB时所对应的输出中频功率电平（用dBm表示）。2001年9月--12月9《通信电路原理》--无九（2）变频电路的主要技术指标（续）三阶互调截点：三阶互调产生的中频分量与有用的中频相等时的输入信号功率。混频器的线性范围2001年9月--12月10《通信电路原理》--无九（2）变频电路的主要技术指标（续）隔离度：指混频器各端口之间的隔离。定义为本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比，用dB表示。接收机中本振端口向输入信号端口的窜通危害最大。本振信号会通过输入信号回路加到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。变频失真：加在变频电路的输入端除有用信号外，还同时存在许多干扰信号，由于非线性，变频电路输出电流中有众多组合频率分量，除了有用的中频外，还有某些组合频率分量的频率十分接近中频，输出中频滤波器无法滤除它们。这些寄生分量叠加在有用中频上，引起失真，该失真通称为变频失真。后面将详细分析。2001年9月--12月11《通信电路原理》--无九（3）常用变频电路举例①三极管混频器

下图所示是常用三极管混频器的几种基本形式。电路的共同特点是利用三极管转移特性的非线性实现频率变换的。(a)(b)(c)(d)2001年9月--12月12《通信电路原理》--无九说明实际电路中，基极回路加了三个电压，信号、本振、偏置电压。加在发射结上的电压为三者之和。由于本振电压较大可把本振和偏置电压视为三极管等效基极偏置电压，称为时变基极偏压，当输入信号很小时，满足线性时变条件，三极管变频器可以看成是一个参量变化的线性电路。在时变基极偏压作用下，随本振信号而变。2001年9月--12月13《通信电路原理》--无九①三极管混频器（续1）变频跨导示意图g（跨导）为三极管转移特性各点的斜率2001年9月--12月14《通信电路原理》--无九①三极管混频器（续2）

一般情况下，虽然本振电压为正弦电压，但受其控制的变频跨导g并不是正弦形信号，而是一个周期性信号。

变频跨导周期为本振信号的周期。则可展开成傅立叶级数，即

变频器的输出信号电流将表示为：（时变参量线性电路的特点）2001年9月--12月15《通信电路原理》--无九①三极管混频器（续3）

在变频器输出信号中：

含有频率的输入信号频率成分。

需要的中频频率为的信号。

输入信号频率与本振信号频率的各次谐波之间的组合频率。这些组合频率可能对变频器输出信号形成干扰。理想变频电路性能：

变频器传输函数中只有项，不含其它各项。为了得到这个结果，要求曲线为直线。也即曲线为一平方曲线。

工作在饱和区的MOSFET基本上具有这样的特性，所以在混频电路中采用MOSFET是有利的。2001年9月--12月16《通信电路原理》--无九②二极管混频器习题4-30：假定输出电压只有角频率为的中频分量。返回若二极管和特性相同，且均可表示为：

试求通过二极管的电流和中，含有哪些频率分量？2001年9月--12月17《通信电路原理》--无九②二极管混频器（续1）若两个二极管特性相同并可用N阶幂级数表示，则它们的电流可分别表示为：输入信号电压：本振电压：则二极管两端的电压分别为：电路分析：上图2001年9月--12月18《通信电路原理》--无九②二极管混频器（续2）

则在二极管平衡混频器的输出电流中：

没有本振信号频率的基波和各次谐波。

没有输入信号频率的偶次谐波分量，也没有含信号频率偶次谐波成分的组合频率分量。

含有输入信号频率的基波，奇次谐波和这些信号与本振频率各次谐波之间的组合频率分量。

若在负载处接入选频电路，仅使频率为的信号通过，即可完成混频的作用。2001年9月--12月19《通信电路原理》--无九4、变频干扰理想的变频过程只是将输入信号的频谱在频率轴上平移，信号频谱结构不应发生变化。但由于实际电路的非理想工作状态，往往在变频输出信号中出现干扰信号，称其为变频干扰。下面以接收机变频电路为例，说明变频干扰产生的原因及其表现。高频放大混频器中频放大本地振荡器输入信号电压本振电压中频信号电压干扰信号电压检波器输入信号电压返回1返回2返回3返回4返回5返回62001年9月--12月20《通信电路原理》--无九4、变频干扰（续1）

在变频器输出信号中（时变跨导线性电路）：

含有频率的输入信号频率成分。

需要的中频频率为的信号。

输入信号频率与本振信号频率的各次谐波之间的组合频率。这些组合频率可能对变频器输出信号形成干扰。

若变频器输入信号较大，则对于而言不可以看成是一个参量变化的线性电路。

含有输入信号的各次谐波与本振信号的各次谐波之间的组合频率。这些组合频率可能对变频器输出信号形成干扰。

变频干扰产生原因：高频放大器的频率特性不理想；高频放大器具有非线性特性；本振信号的各次谐波；变频器的非线性（不能看作为时变参量线性电路）。2001年9月--12月21《通信电路原理》--无九（1）中频干扰产生的原因：

高频放大器的频率特性不理想。不能将频率等于中频频率的干扰信号滤除而使其到达变频器的输入端。

变频器的变频特性中的项使变频器相当于放大器。从而使中频干扰信号经变频器而到达中频放大器输入端，经中频放大器放大后输出，形成中频干扰。上图

减小中频干扰的主要方法是：减小三极管变频特性中的项。这就需要适当选择变频三极管的静态工作点和本振电压的幅度，使变频跨导与本振电压近似为线性关系。提高变频器前面各级电路的选择性，抑制中频信号通过。有时在高频放大器输入回路中接入中频陷波器或高通滤波器，以抑制中频干扰。

举例：466KHz和465KHz信号在检波器差拍检波后，产生哨叫声。2001年9月--12月22《通信电路原理》--无九（2）象频干扰产生的原因：

正常输入信号频率和干扰信号频率将分列于本振信号频率两侧，并距的距离相等（均为中频频率），两者互为镜象，这种干扰为象频干扰。干扰信号能经过高频放大器而到达变频器的输入端。

减小象频干扰的主要方法是：

提高变频器前面各级的选择性。当变频器前加有高频放大器时，其优良的频率选择性可提高对象频干扰信号的抑制作用。

提高中频频率。由于有用信号与干扰信号频率之间的距离是2，因此，提高中频频率可以使这两个信号的频率差加大，这也有利于对象频干扰信号的抑制。采用二次变频电路（例如：10.7MHz和455KHz）。上图2001年9月--12月23《通信电路原理》--无九（3）组合副波道干扰产生的原因：

高频放大器具有非线性特性。则当频率为的干扰信号通过高频放大器时，将产生的各次谐波。

本振信号频率的各次谐波。凡满足下列频率关系式的干扰信号，均可与本振信号的某次谐波分量相作用，得到中频频率信号而形成干扰。称这种干扰为组合副波道干扰。显然，象频干扰和中频干扰是它的特例。象频干扰相应于，的情况；中频干扰相应于，的情况。

减小组合副波道干扰的主要方法是：提高高频放大器的频率选择性，减小高频放大器非线性。减少变频器传输特性中的谐波分量。上图2001年9月--12月24《通信电路原理》--无九（4）组合频率干扰产生的原因：变频器的非线性。不能将变频器看作为时变参量线性电路，对是非线性。

变频器输出信号中将包含输入信号的各次谐波分量，本振信号的各次谐波分量以及二者各次谐波分量之间的组合频率。

凡是满足右式的和所确定的组合频率，恰为中频频率。这些组合频率分量通过中频放大器而形成干扰。

减小组合频率干扰的主要方法是：合理选择变频器工作状态，减小传输特性的谐波分量。限制输入信号的幅度。选择中频频率，避开变频过程可能产生的组合频率。上图2001年9月--12月25《通信电路原理》--无九（4）组合频率干扰（续）

在分析组合副波道干扰时，对输入信号来说，认为变频电路是线性的。（输入信号的幅度较小）产生组合副波道干扰的输入信号的各次谐波是由高频放大器的非线性产生的，均可与本振信号的某次谐波分量相作用，得到中频频率信号而形成干扰。（，，，）。

组合频率干扰是由于变频电路本身的非线性产生的。变频器输出信号中将包含输入信号的各次谐波分量，本振信号的各次谐波分量以及二者各次谐波分量之间的组合频率。这里需要说明：2001年9月--12月26《通信电路原理》--无九（5）交叉调制干扰交叉调制干扰的现象是：

如果接收机对欲接收信号频率调谐，则可清楚地收到干扰信号电台的声音。

接收机对接收信号频率失谐，则干扰电台的声音减弱。

如果欲接收电台的信号消失，则干扰电台的声音也消失。这种现象好象干扰电台的声音调制在欲接收电台信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。产生的原因：

交叉调制干扰是由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的。上图2001年9月--12月27《通信电路原理》--无九（5）交叉调制干扰（续1）数学分析：

从晶体管正向转移特性关系入手，将展开成的泰勒幂级数，得：

设作用在输入端（基极─发射极间）的电压有：信号电压：干扰电压：则合成电压：2001年9月--12月28《通信电路原理》--无九（5）交叉调制干扰（续2）将代入式，即得：

把信号基波电流取出，即得：注意信号电压是：但接收的是信号基波电流,其振幅中含干扰信号的包络变化。2001年9月--12月29《通信电路原理》--无九（5）交叉调制干扰（续3）讨论：括号内的项代表放大器或混频器的输出信号的包络变化，其中第二项为有用信号的调制，第三项为干扰信号所转移的调制。可见交叉调制是由晶体管特性中的三次或更高次非线性项产生的，它与成正比。减小交叉调制干扰的主要方法是：

提高高频放大器和变频器输入电路的选择性，尽可能使干扰信号不进入变频电路或高频放大器。

限制高频放大器输入信号幅度，以使高频放大器和变频器基本工作于线性状态。（交叉调制是由晶体管特性中的三次或更高次非线性项产生的）。2001年9月--12月30《通信电路原理》--无九（6）互相调制（互调）上图产生的原因：

接收机前端电路的选择性不够好。致使两个或更多个干扰信号一起加到接收机的输入端。由于放大器或混频器的非线性作用。使干扰信号彼此混频，可能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量。与有用信号一道进入接收机中频系统。在检波器差拍检波后，产生哨叫声。根据上面讨论可以得出以下结论：①互调干扰是由放大器或混频器特性的二次、三次和更高次非线性（即二阶、三阶失真项）产生的。②互调干扰分量的强度同输入干扰信号振幅有关，干扰信号振幅愈大，则互调干扰分量愈大。，在短波范围内为数甚多，排除也较困难。③产生互调干扰的两个干扰信号频率之间必须满足一定的关系，所以它不同于交调。2001年9月--12月31《通信电路原理》--无九（6）互相调制（互调）续

上式m、n为干扰信号频率的谐波次数，有用信号频率，分别为本振和中频频率。其中当m+n=3满足上式时,称为三阶互调，危害最大。因为m、n越小，产生的寄生中频信号幅度越大。与放大器一样，三阶互调截点为混频器的主要指标。或返回2001年9月--12月32《通信电路原理》--无九举例：习题4-33一超外差式广播接收机，中频为465KHz。在收听频率=931KHz的电台播音时，发现除了正常信号外，还伴有音调约为1KHz的哨叫声，而且如果转动接收机的调谐旋钮