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第九章调幅、检波与混频:频谱线性搬移电路
9.1概述
9.2频率变换电路分析基础
9.3相乘器及频率变换作用
9.4幅度调制
9.5调幅电路分析
9.6幅度解调
9.7混频器
9.1概述
在通信系统及各种电子设备中,为了有效地实现信息传
输及信号的功率、频率变换功能,广泛采用调制、解调、混
频、倍频和振荡器等电路。这些电路的共同特征,是输出信
号中除了含有输入信号的频率成分外,还出现了不同于输入
信号频率的其它频率分量,也就是说,这些电路都具有频率
变换功能,属于非线性电子线路。
频率变换电路种类很多,根据不同的特点,又可分为频
谱的线性搬移电路和频谱的非线性变换电路。在频率变换过
程中,输入信号的频谱结构不发生变化,即变换前后各频率
分量的比例关系不变,只是在频率轴上进行了不失真的搬移
(允许只取其中的一部分),这类电路称为频谱线性搬移电
路。本章将讨论的振幅调制与解调、混频等电路就属于这一
类电路。
9.2频率变换电路分析基础
9.2.1非线性元件的特性描述
在描述非线性元件的特性之前,先将线性元件与非线性
元件的特性进行比较,初步认识用非线性元件进行频率变换
的原理。
线性元件的工作特性符合直线性关系,例如,线性电阻
的特性符合欧姆定律,即它的伏安特性是一条直线,如图9
-1所示。
图9-1正弦信号作用在电阻上
如果在电阻两端加入某一频率的正弦电压,那么电阻中
的电流仍然是这个频率的正弦信号,它不会产生新的频率分
量,这一点可从欧姆定律的表示式或图9-1所示的伏安特性
曲线得出,图中画出了U为正弦信号时I的波形,可以看出,
电流I仍然为这个频率的正弦信号。
非线性电阻的伏安特性则不是直线关系,例如晶体二极
管,它的正向工作特性是指数曲线,而反向工作特性在一定
范围内表现为与横轴近似平行的直线,如图9-2所示。
图9-2正弦信号作用在二极管上
在第一章实验2中已观察到,二极管两端加入某一频率的正
弦电压时,流过二极管的电流波形不再是正弦信号,而是一个被
切去负半周的半个正弦波。这个电流波形也可以通过图9-2所示
的伏安特性作图得到。对于这个电流波形,由傅里叶级数分析可
知,它不仅含有基波频率分量,也包括直流成分和各次谐波成分。
这表明,非线性元件具有频率变换作用,它能将单频正弦信号变
换为频谱成分比较复杂的多频信号,我们可以根据需要选择所需
的频率分量。例如,在实验2中,用低通滤波器滤除了直流和高
频分量,只取出音频分量,就构成了检波器。同样,如果用滤波
器滤除交流分量,只取出它的直流分量,就构成了整流器。检波
和整流是非线性元件完成频率变换的两个简单例子。
非线性元件是组成非线性电路的基本单元,也是有源电
子器件在一定工作条件下等效电路的组成部分。高频电路中
常用的有非线性电阻器和非线性电容器。非线性电阻器是指
伏安特性,即电压与电流之间的变化特性呈非线性的器件,
如图9-2所示;非线性电容器是指伏库特性,即电压与电荷
之间的变化特性呈非线性的器件,如图9-3所示。
_
+u
C
C0
Cmin
O
u
图9-3变容二极管的C-u曲线
非线性元件与线性元件相比,有两个突出特性。
第一个特性是,非线性元件有多种含义不同的参数,而
且这些参数都是随激励信号的大小而变化的。
以非线性电阻器件为例,常用的参数有直流电导、微分
电导、平均电导三种。
直流电导又称静态电导,它是指非线性电阻器件伏安特
性曲线上任一点与原点之间连线的斜率,如图9-4所示,用
g0表示,其值为
IQ
g0
UQ
它表明直流电流与直流电压之间的关系。在对非线性电
阻元件进行直流工作分析时,可用g0参量。应注意g0与线性
电阻元件的电导g的区别:g是与工作电压大小无关的常数,
而g0则是工作电压UQ(或I
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