《通信电路》4(沈伟慈)第10讲.ppt

第5章 频率变换电路的特点及分析方法 本章内容： 非线性元器件及其频率变换特性的分析方法 频率变换电路的特点及其非线性失真分析 5.1 概述 1.线性电路非线性电路 线性电路的特点是其输出信号与输入信号具有某种特定的线性关系。从时域上讲, 输出信号波形与输入信号波形相同, 只是在幅度上进行了改变；从频域上讲, 输出信号的频率分量与输入信号的频率分量相同。 非线性电路反之。 2.频率变换电路 在通信系统和其它一些电子设备中, 需要一些能实现频率变换的电路。这些电路的特点是其输出信号的频谱中产生了一些输入信号频谱中没有的频率分量, 即发生了频率分量的变换, 故称为频率变换电路。 频率变换电路属于非线性电路, 其频率变换功能是由非线性元器件提供。 3.常用的非线性元器件 非线性电阻性元器件 在电压—电流平面上具有非线性的伏安特性，如晶体管。 非线性电容性元器件 在电荷—电压平面上具有非线性的库伏特性，如变容二极管。 变容二极管是？？？ 变容二极管是利用PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。 变容二极管结电容可表示为: 其中n为变容指数, 其值随半导体掺杂浓度和PN结的结构不同而变化, Ｃj (0)为外加电压u=0时的结电容值, UB为PN结的内建电位差。 变容二极管必须工作在反向偏压状态, 所以工作时需加负的静态直流偏压－UQ。 小结 本章将以晶体二极管伏安特性为例, 介绍非线性元器件频率变换特性的几种分析方法,然后进一步介绍频率变换电路的特点及实现方法。 由晶体二极管伏安特性可以推广到晶体三极管以及其他非线性器件。 5.2 非线性元器件频率变换特性的分析方法 晶体二极管的非线性特性(伏安特性)通常可用三种函数来近似逼近，即指数函数、折线函数和幂级数，故对应三种方法： 1.指数函数分析法 2.折线函数分析法 3.幂级数分析法 5.2.1指数函数分析法 晶体二极管的正向伏安特性可用指数函数描述为: 其中, Is是反向饱和电流，热电压UT≈26mV(当T=300K时)。 在输入电压u较小时, 上式与二极管实际特性是吻合的, 但当u增大时, 二者有较大的误差, 如右图所示。所以指数函数分析法仅适用于小信号工作状态下的二极管特性分析。 利用指数函数的幂级数展开式 若u=UQ+Uscosωst, 可得到: 利用三角函数公式将上式展开后, 可以看到：输入电压中虽然仅有直流和ωs分量, 但在输出电流中除了直流和ωs分量外, 还出现了新的频率分量, 这就是ωs的二次及以上各次谐波分量。 输出电流的频率分量可表示为： ωo=nωs n=0, 1, 2, … 5.2.2 折线函数分析法 当输入电压较大时, 晶体二极管的伏安特性可用两段折线来逼近, 如右图所示： 由于晶体三极管的转移特性与晶体二极管的伏安特性有相似的非线性特性, 所以在“丙类谐振功放”章节利用折线法对大信号工作状态下集电极电流进行了分析。 由分析结果可知, 当输入电压为直流偏压上迭加单频余弦波时, 集电极电流(尖顶余弦脉冲)中的频率分量也可表示为 ωo=nωs n=0, 1, 2, … 5.2.3 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: 由上式可见：输出电流中同样出现了新的频率分量。 小结 非线性元器件的特性分析是建立在函数逼近的基础之上。 指数函数\折线函数\幂级数 当工作信号大小不同时, 适用的函数可能不同, 但与实际特性之间的误差都必须在工程所允许的范围之内。 不管用哪种分析方法，输出电流中都出现了新的频率分量： ωo=nωs n=0, 1, 2, … 例5.1 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： 可见, 输出电流中除了直流和ωs这两个输入信号频率分量之外, 只产生了一个新的2ωs频率