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1、第五章第五章 频率变换电路的特点及分析方法频率变换电路的特点及分析方法第一节第一节 概述概述 线性放大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放大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线性关系。从关系。从时域时域上讲上讲,输出信号波形与输入信号波形相同输出信号波形与输入信号波形相同,只是只是在幅度上进行了放大；在幅度上进行了放大；从从频域频域上讲上讲,输出信号的频率分量与输入输出信号的频率分量与输入信号的频率分量相同。信号的频率分量相同。频率变换电路属于频率变换电路属于非线性非线性电路电路,电路的特点是其输出信号的频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
2、有的频率分量谱中产生了一些输入信号频谱中没有的频率分量,即发生了频率即发生了频率分量的变换分量的变换,其频率变换功能应由非线性元器件产生其频率变换功能应由非线性元器件产生。第二节第二节 非线性元器件的特性描述非线性元器件的特性描述一、非线性电阻性元器件定义：可以用定义：可以用i=f(u)特性来描述的元器件。特性来描述的元器件。1、微分电导（交流电导、微分斜、微分电导（交流电导、微分斜率）率）（1）工作点）工作点Q变化变化gD变化变化:gD C（2）若）若UQ是时变，是时变，uQ(t)gD(t)也是时变的。也是时变的。i(t)=uQ(t)gD(t)若若uQ(t)为正弦，则为正弦，则i(t)为非正
3、弦。为非正弦。2、平均电导（平均斜率）、平均电导（平均斜率）g(u)当当u为大信号时，为大信号时，i=I0+i1+i2+平均电导平均电导g(u)=Im1/Um基波电流幅值基波电流幅值Im1与激励电压幅值与激励电压幅值Um之比。之比。3、直流电导（静态电导）、直流电导（静态电导）g0 g0=IQ/UQ二、非线性电容性器件二、非线性电容性器件第三节第三节 非线性元器件频率变换特性的分析方法非线性元器件频率变换特性的分析方法分析方法:用合理的工程近似,对非线性函数关系作简明数学描述,用激励信号us代入该公式,求相应的i各种频率成分.一、指数函数分析法一、指数函数分析法晶体二极管的正向伏安特性可用指数
4、函数描述为晶体二极管的正向伏安特性可用指数函数描述为:仅适用于仅适用于小信号小信号工作状态下工作状态下的二极管特性分析的二极管特性分析若若u=u=U UQ Q+U+Us scoscoss st t,可以看到可以看到,输入电压中虽然仅有直流和输入电压中虽然仅有直流和 s s分量分量,但在输出电流中但在输出电流中除了直流和除了直流和 s s分量外分量外,还出现了新的频率分量还出现了新的频率分量,这就是这就是 s s的二次及以的二次及以上各次谐波分量。上各次谐波分量。输出电流的频率分量可表示为：输出电流的频率分量可表示为：o=ns,n=0,1,2,二、折线函数分析法二、折线函数分析法当当输入电压较大
5、输入电压较大时时,晶体二极管的伏安特性可用两段折线来逼近。晶体二极管的伏安特性可用两段折线来逼近。三、幂级数分析法三、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)i=f(u)表示。此表示。此函数表示的是一条连续曲线。函数表示的是一条连续曲线。如果在自变量如果在自变量u u的某一点处的某一点处(例如静例如静态工作点态工作点U UQ Q)存在各阶导数存在各阶导数,则电流则电流i i可以在该点附近展开为泰勒级可以在该点附近展开为泰勒级数数:第四节第四节 频率变换电路的特点与非线性失真分析频率变换电路的特点与非线性失真分析一、频率变换
6、电路的分类与非线性失真一、频率变换电路的分类与非线性失真频率变换电路可分为两大类频率变换电路可分为两大类,即即1 1、线性频率变换电路：要求输出信号频率、线性频率变换电路：要求输出信号频率 o o应该是输入信号频率应该是输入信号频率 s s的某个固定倍数的某个固定倍数,即即 o o=N=N S S,或者要求输出信号频率或者要求输出信号频率 o o应该是两应该是两个输入信号频率个输入信号频率 1 1和和 2 2的和频或差频的和频或差频,即即 o o=1 1 2 2。特点是输出信特点是输出信号频谱与输入信号频谱有号频谱与输入信号频谱有简单的线性关系简单的线性关系,或者说或者说,输出信号频谱输出信号
7、频谱只是只是输入信号频谱在频率轴上的搬移输入信号频谱在频率轴上的搬移,故又被称为频谱搬移电路。故又被称为频谱搬移电路。2 2、非线性频率变换电路：特点是输出信号频谱和输入信号频谱不、非线性频率变换电路：特点是输出信号频谱和输入信号频谱不再是简单的线性关系再是简单的线性关系,也也不是频谱的搬移不是频谱的搬移,而是产生了某种非线性而是产生了某种非线性变换。变换。必须采取措施减少输出信号中大多数无用的组合频率分量。常必须采取措施减少输出信号中大多数无用的组合频率分量。常用措施有以下几条用措施有以下几条:采用具有平方律特性的场效应管代替晶体管。采用具有平方律特性的场效应管代替晶体管。采用多个晶体管组成
8、平衡电路采用多个晶体管组成平衡电路,抵消一部分无用组合频率分量。抵消一部分无用组合频率分量。使晶体管工作在线性时变状态或开关状态使晶体管工作在线性时变状态或开关状态,可以大量减少无用的可以大量减少无用的组合频率分量。组合频率分量。采用滤波器来滤除不需要的频率分量。采用滤波器来滤除不需要的频率分量。二、线性时变工作状态二、线性时变工作状态如果其中一个交流信号的振幅远远小于另一个交流信号的振幅如果其中一个交流信号的振幅远远小于另一个交流信号的振幅,即即u u2 2u u1 1,那么又会产生什么结果呢那么又会产生什么结果呢?可以认为晶体管的工作状态主要由可以认为晶体管的工作状态主要由U UQ Q与与
9、u u1 1决定决定,若在交变若在交变工作点工作点(U UQ Q+u+u1 1)处将输出电流处将输出电流i iC C展开为幂级数展开为幂级数,可以得到：可以得到：iCf(UQ+u1)+f(UQ+u1)u2=I0(t)+g(t)u2I0(t)=f(UQ+u1),g(t)=f(UQ+u1)若若u u1 1=U=Um1m1coscos1 1t,ut,u2 2=U=Um2m2cos cos 2 2t,t,由图由图5.3.15.3.1可以看出可以看出,在周期性电压在周期性电压U UQ Q+U+Um1m1coscos 1 1t t作用下作用下,g(t)g(t)也是周期性变化的也是周期性变化的,所以可展开为傅里所以可展开为傅里叶级数：叶级数：若若u u1 1的振幅足够大时的振幅足够大时,晶体管晶体管的转移特性可采用两段折线表的转移特性可采用两段折线表示示,设设U UQ Q=0,=0,则晶体管半周导通则晶体管半周导通半周截止半周截止,完全受完全受u u1 1的控制。的控制。这种工作状态称为开关工作状这种工作状态称为开关工作状态态,是线性时变工作状态的一是线性时变工作状态的一种特例。在导通区种特例。在导通区,g(u)g(u)是一个是一个常数常数g gD D,而而g(t)g(t)是一个矩形脉冲是一个矩形脉冲序列。序列。