通信电子线路绪论.ppt

通信电子线路,教材：电子线路非线性部分（第四版）谢嘉奎主编 通信电子线路实验指导书 福大自编理论学时：48 实验学时：24教师：邵 雄,参考资料:,1、电子线路（三、四册）南京工学院无线电系编 高等教育出版社，1984年2、高频电子线电路 张献主编，高等教育出版社，1994年3、电子线路习题集 南京工学院无线电系编，人民教育出版社，1982年4、电子线路(第四版)教学指导书 汪胜宁编，高等教育出版社，2004年,绪 论,0.1 非线性电子线路的作用,0.2 非线性器件的基本特点,0.3 本课程的特点,0.1 非线性电子线路的作用,一、线性电路与非线性电路的区分,电子器件严格上均为非线性的，故所构成的电子线路均为非线性电子线路。但是，依据器件的使用条件不同，所表现的非线性程度不同。,对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。,线性电路：,对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡，频率变换等功能。,非线性电路：,小信号条件下，由于输入信号足够小，电路可以用线性等效电路表示，如线性电子线路部分讨论过的各种小信号放大器。器件的特性，归属线性电子线路。,大信号条件下，由于输入信号较大，必然涉及到器件的非线性部分，例如功率放大器，这样就不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以功放归在非线性电子线路的范畴。,二、非线性电子线路在通信系统中的应用,1.通信系统的分类,利用电磁波传送信息,(1)有线通信系统：,利用导线传送信息,(2)无线通信系统：,(3)光纤通信系统：,利用光导纤维传送信息,2.无线通信系统,组成：发射装置+接收装置+传输媒体,(1)发射装置,将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。,换能器：,将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。,发射机：,将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。,天线：,无线通信系统的组成方框图,(2)传输媒体电磁波,电磁波传输方式，依据波长不同，可分：,传播距离比较：电离层 地面 直线,无线电传播方式,电离层,中长波,短波,超短波,(3)接收装置,接收是发射的逆过程。,接收天线：,将空间传播到其上的电磁波高频电振荡。,接收机：,高频电振荡,电信号,换能器：,将电信号,所传送信息,3.无线通信存在的问题,天线尺寸：,天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长的1/101），信号才能被天线有效的辐射出去。,存在干扰：,其它电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层，宇宙固有的电磁干扰。,对接收装置的要求：,能从众多的电磁波中选出有用的微弱信号。,4.解决方案,发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。,(1)调制：,由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数，使该参数按照电信号的规律而变化。,调制信号：,携有信息的电信号。,载波信号：,未调制的高频振荡信号。,已调波：,经过调制后的高频振荡信号。,根据受控参数：调幅、调角（调频、调相）。,(2)解调：,调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。,(3)调制的作用：,减小天线的尺寸(声 30 3000 Hz，天线要几百 km)；,选台。将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其它电台发送的信息和各种干扰。,5.发射机组成,(1)振荡器：,产生 fosc 的高频振荡信号，几十 kHz 以上。,采用调幅方式的中波广播发射机组成方框图,(2)高频放大器：,一或多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至 fc，并提供足够大的载波功率。,(3)调制信号放大器：,多级放大器组成，前几级为小信号放大器，用于放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。,(4)振幅调制器：,实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上,6.接收机,采用调幅方式的无线广播接收机组成方框图,(1)高频放大器：,由一级或多级小信号谐振放大器组成，放大天线上感生的有用信号；并利用放大器中的谐振系统抑制天线上感生的其它频率的干扰信号。可调谐。,(2)混频器：,两个输入信号。频率为 fc 的高频已调信号，本机振荡器产生的频率为 fL 的本振信号。将频率为 fc 的高频已调信号不失真的变换为载波频率为截 fI 的中频已调信号：,我国中频。,(3)本机振荡：,用来产生频率为,)的高频振荡信号。fL 是可调的，并能跟踪 fc。,(或,(4)中频放大器：,由多级固定调谐的小信号放大器组成，放大中频信号。,(5)检波器：,实现解调功能，将中频调辐波变换为反映传送信息的调制信号。,(6)低频放大器：,由小信号放大器和功率放大器组成，放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。,超外差接收机：,包括混频器，本机振荡，中频放大器等组成。,在超外差接收机中，有用信号在不同频率上进行放大，提高了接收机接收微弱信号的能力，还采用了谐振系统提高选取有用信号的能力。,7.其它通信系统,无论采用何种调制方式，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于调制器和解调器上。,目前越来越多地采用调频无线通信系统。实现调制的模块为频率调制器，实现解调的模块为频率检波器或鉴频器。,当前正在发展的数字通信系统，其调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制。,近年来还提出了软件无线电的概念，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。,8.非线性电子线路总结,上面介绍的通信系统中，除小信号放大器以外，其它如振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器均是本书讨论范围内的非线性电子线路。,上述非线性电子线路可分为三类：,一类：,实现功率放大功能的电路。在输入信号作用下，将直流电源提供的功率部分地转换为输入信号规律变化的输出信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。,二类：,实现振荡功能的电路。可在不加输入信号的情况下，稳定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。,三类：,实现波形变换和频率变换功能的电路。能在输入信号作用下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：调制电路、解调电路、混频电路和倍频电路。,本课程顺序讨论这三类电路。,0.2 非线性器件的基本特点,非线性电子线路利用器件的非线性特性实现上述三类功能，因此，有必要首先了解非线性器件的基本特点：,一、非线性器件特性的参数,主要有三：,(1)直流参数：,适用于直流分析,(2)交流参数：,适用于频率变换电路的分析,(3)平均参数：,适用于功率放大和振荡电路的分析,以非线性电阻为例，说明三种参数的意义。,直流电导：,表明直流电流与直流电压间的依存关系。,，适用于直流分析,其值是 VQ(IQ)的非线性函数。,交流电导：,伏安特性曲线上任一点的斜率或该点上增量电流与增量电压的比值。,，适用于频率变换电路分析,平均电导：适用于功放和振荡电路分析,定义：,当器件两端加余弦电压,时，由于特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其按付里叶级数展开：,平均电导即为基波电流振幅与外加电压振幅之比：,反映基波电流与外加电压间的依存关系。,根据实际的工作情况选用不同的参数。,二、非线性器件特性的控制变量,分析非线性器件时，必须注明它的控制变量。控制变量不同，描写非线性器件特性的函数也不同。,例如二极管,电压为控制量：,电流指数变化,电流为控制量：,电压对数变化,注意：,当特性非单调时，指明控制量尤为重要,(2)直流电导 g0 0，在曲线上任一点均为正。,交流电导 g(a,b)0，在 a、b 段为负电导。,例：,(1)控制变量为,电压：,电流为单值,电流：,电压为多值,隧道二极管的特性曲线,*器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，是非线性与线性器件的又一重要区别。,三、不满足叠加原理,若,则,而,例,出现新的频率成份,非线性电路实现频率加、减等更多电路功能。,0.3 本课程的特点,1.工程上采用近似的分析方法。,非线性器件物理特性复杂，要得到精确解需要求解非线性方程或时变系数微分方程。,对策：对器件数学模型和电路工作条件进行合理近似，用简单的分析方法获得具有实用意义的结果。,2.功能的实现借助器件的非线性，功能与电路形式远比线性电路多。,对策：抓住本质功能再多也是借助器件的非线性 抓基本电路种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。,3.重视实验环节。,分析各种功能间的内在联系，实现各种功能的基本方法及由此导出的基本电路结构。,本书内容安排的三个层次：,实现各功能的基本原理并由此导出基本电路。,进行合理近似，引出对电路进行近似的工程分析。,根据分析结果，提出对电路的设计原则及改进电路性能的基本途径。作业：复习绪论内容，预习功率电子电路,选频网络与阻抗变换,重点内容：,串、并联谐振回路的选频特性；,LC分压式阻抗变换电路；,1.1 LC谐振回路,LC谐振回路有并联回路和串联回路两种形式，属于无源滤波网络；其作用是：,（1）选频滤波：从输入信号中选出有用频率分量，抑制无用频率分量或噪声。,（2）阻抗变换电路及匹配电路；,（3）实现频幅、频相变换：将频率的变化转换为振幅或相位的变化；将在频率调制中讲。,1.1,1.1.1 并联谐振回路,图1.1.1 并联谐振回路,图所示为一个有耗的空心线圈和电容组成的并联回路。其中 为L的损耗电阻，C 的损耗很小，可忽略。为激励电流源，回路两端所得到的输出电压为。,一、并联谐振回路的阻抗特性,由图知：回路的阻抗,或 回路的导纳：,图1.1.2 并联等效电路,此时，图可等效为图。,此时，回路的谐振电阻：,或谐振电导,定义回路的空载品质因数：,则回路的阻抗特性,令,为广义失谐，回路谐振时,阻抗幅频特性,阻抗相频特性,由此画出的阻抗频率特性曲线如图所示。,图1.1.3 并联谐振回路阻抗频率特性曲线（并联谐振回路幅频相频曲线动画）,二、回路两端的电压,回路两端的谐振电压：,由以上分析结果，并结合图可以得出如下几点结论：,时，,当,并联回路阻抗呈感性；,时，,当,并联回路阻抗呈容性；,回路谐振（,）时，,，回路阻抗,最大且为纯阻,相移值增大。,电流特性 并联回路谐振时的谐振电阻,为,或,的,倍，同时并联电路各支路电流,的大小与阻抗成反比，因此谐振时电感和电容中电,流的大小为外部电流的,倍，即有:,且,相位相反,图1.1.4 并联回路的电抗频率特性,如果忽略简单并联谐振回路（如图所示）的损耗电阻，即，此时可以画出并联回路的电抗频率特性曲线如图所示。,电压特性 谐振时回路两端的电压最大，,，与激励电流同相位。,相频特性曲线的斜率,并联谐振回路的相频特性呈负斜率，且,斜率越大，曲线越陡。,越高，,电压特性 谐振时回路两端的电压最大，,，与激励电流同相位。,相频特性曲线的斜率,并联谐振回路的相频特性呈负斜率，且,斜率越大，曲线越陡。,越高，,三、回路的谐振特性曲线：,其中：幅频特性,相频特性,由此画出的谐振特性曲线如图所示。,图1.1.5 谐振特性曲线（并联谐振回路谐振特性动画）,显然，曲线 形状与,有关。,由该图知，越大，,曲线愈尖锐，选择性越好。,四通频带：,定义：当,时对应的频率范围称为通频带，,表示，称之为3dB带宽。,用,由幅频,表达式知：当,时,显然，,1.1.2 串联谐振回路,标准的串联回路由无损耗的电感L和电容C、电阻,串联而成，并由电压源,激励，如图所示。,图1.1.6 标准LC串联回路,一、串联回路的阻抗特性：,由A、B两点向回路内看入的回路等效阻抗为,当,，,时，回路谐振，此时,称,为回路的谐振角频率。,令回路的空载品质因数,并引入广义失谐,，阻抗,可改写为,回路阻抗的幅频特性,回路阻抗的相频特性,图1.1.7 串联谐振回路阻抗的幅 频特性和相频特性曲线,由以上分析知，串联回路谐振时具有以下特点：,阻抗特性 回路谐振时，回路的感抗与容抗相等，互相抵消，回路阻抗最小（）且为纯阻。,回路失谐（,）时，串联回路阻抗增加，相移值,时,，串联回路阻抗呈感性；,时，,，串联回路阻抗呈容性。,增大。当,当,图1.1.8 串联回路的电抗频率特性,如果忽略简单串联谐振回路的损耗电阻，可以画出串联回路的电抗频率特性曲线如图所示。,相频特性曲线为正斜率，即,二、串联谐振回路的谐振特性,定义：回路输出电流随输入信号频率而变化的特性称为回路的选频特性。图所示串联谐振回路的输出电流表达为,式中,为回路谐振情况下的输出电流。,上式说明，回路发生串联谐振时，因回路阻抗最小，流过回路的电流最大,若将失谐频率对应的输出电流与谐振时的输出电流之比称为谐振回路的归一化选频特性，则可以得到,由此得到回路的幅频特性,相频特性,显然上述幅频、相频特性表达式与并联回路的幅频、相频特性表达式分别相同，即串联谐振回路具有与并联回路相同的选频特性。,三 串、并联回路的比较,1、回路谐振（,）时：,串联谐振回路的阻抗,并联谐振回路的阻抗,2、相频特性：,3、实际应用中：,串联回路适合于信号源和负载串接，从而使信号电流有效的送给负载。,并联回路适合于信号源和负载并接，使信号在负载上得到的电压振幅最大。,1.1.3 负载和信号源内阻对并 联谐振回路的影响,并联回路若考虑信号源内阻,和负载,时，如图所示。,图1.1.9 具有负载和信号源内阻的并联谐振回路（a）实际回路（b）、（c）等效回路（并联谐振回路等效动画）,则回路总谐振阻抗：,回路的空载品质因数,回路的有载品质因数：,回路的3dB带宽为,所以将导致回路的选择性变差，通频带展宽。,可以看出，由于负载电阻和信号源内阻的影响，使 回路两端的谐振电压 减小，回路的品质因数下降，通频带展宽，选择性变差。同时信号源内阻及负载不一定是纯阻,又将对谐振曲线产生影响.和 越小，下降越多，影响也就越严重。实际应用中，为了保证回路有较高的选择性，为此可采用下节讨论的阻抗变换网络，减小这种影响。,例l.1.1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载，信号中心频率，回路电容采用C=50pF，试计算所需的线圈电感值。又若线圈品质因数为，试计算回路谐振电阻及回路带宽。若放大器所需的带宽为0.5MHz，则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求？,解：（1）计算L 值。由谐振频率表达式可得,将,以兆赫（MHz）为单位，C以皮法（PF）为单位，L以微亨（H）为单位。上式可变为一实用计算公式,将,C=50pF代入，得,L=5.07(H),(2)回路谐振电阻和带宽 由式（）知,回路带宽为,（3）求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联的电阻为，并联后的总电阻为,回路的有载品质因数为，由带宽公式可以得到,回路总电阻为,因此，需要在回路上并联7.97k的电阻。,1.2 窄带无源阻抗变换网络,在并联谐振回路中，为了减少负载 和信号,源内阻,对选频回路的影响,保证回路有高的,值，除了增大负载,和信号源内阻,采用阻抗变换网络。,阻抗变换的目的：将实际负载阻抗变换为前级网络所要求的最佳负载值，即获得最大功率输出。,外，还可以,由于变压器初级、次级消耗的功率是相等的，可得初、次级电阻的关系为,图1.2.1 变压器阻抗变换器,1.2.1 变压器阻抗变换,变压器为无损耗的理想变压器，则变压器初级、次级电压和电流的关系为,1.2.2 部分接入进行阻抗变换,一、自耦变压器电路：,设变压器理想无损耗。,或失谐不大时，则利用功率相等的概念，可以证明,若回路品质因数足够大（），回路处于谐振,式中n为变压器的变比,称之为接入系数,且,图1.2.2 自耦变压器电路,（a）实际连接电路（b）等效电路,二、电容分压式电路,可以证明,图1.2.3 电容分压式电路（a）实际连接电路（b）等效电路,负载两端的电压与信号源的端电压之间的关系为,等效负载,其中接入系数,三、电感分压式电路,图1.2.4 电容分压式电路（a）实际连接电路（b）等效电路,结论：,（当 时）采用部分接入方式时,阻抗从低抽头向高,增强的倍数是。,若进行电流、电压转换时,其变比为,而不是。,抽头转换时,等效阻抗（）将增加,如图所示（a）、（b）电路中，电压、电流之间的关系为,图1.2.5 电源转换,显然，电路采用部分接入方式时，通过合理选择抽头位置（即,值），可将负载变换为理想状态，达到,阻抗匹配的目的。,图1.2.6 例1.2.1电路图,解：设回路满足高,的条件，由,图知，回路电容为,谐振角频率为：,电阻R1的接入系数,等效到回路两端的电阻为,回路谐振时，两端的电压,与,同相，电压振幅为,所以回路两端的电压,输出电压,回路品质因数,回路带宽,通过计算表明满足高,的假设，而且也基本满足,远大于1的条件。由上述计算知，,与,同相位，实际上,由于,对实际分压比的影响，,与,存在一个小的相移。,1.2.3 其他形式的阻抗变换网络,一、阻抗的串、并联等效转换,图1.2.7 串、并联阻抗的等效变换,图（a）中,图（b）中,且,于是可以得到：,当,时,若使,，必有,或,1.3 其他形式的滤波器,、石英晶体滤波器,1.3,一、石英晶体的物理特性,1、石英晶体的结构 图（a）表示自然结晶体，图（b）表示晶体的横断。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴Z，称为光轴；在图（b）中沿对角线的三条X轴，称为电轴；与电轴相垂直的三条Y轴，称为机械轴。,图1.3.1 石英晶体的形状及横断面图,2、石英晶体的切割,石英晶体谐振器是由石英晶体切片而成。各种晶片按与各轴不同角度切割而成。图就是石英晶体几种常用的切片方式，晶片经制作金属电极，按放于支架并封装即成为晶体谐振器元件。,图1.3.2 石英晶体的各种切割方式（a）X切割（b）Y切割（c）AT切割,3、石英晶体的电特性,（1）石英晶体特有的正、反两种压电效应 正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。,（2）石英晶体具有谐振回路的特性 因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能和机械能的转换。（3）具有较小的频率温度特性,图（a）是考虑基频及各次泛音的等效电路。,二、石英谐振器的等效电路及阻抗特性,1、等效电路,图1.3.3 晶体谐振器的等效电路（a）包括泛音在内的等效电路（b）谐振频率附近的等效电路（c）电路符号,弹性体的质量，值很大，为（几十m几十）H；,弹性体的弹性模数，值较小，为（0.010.1）pF；,由于各谐波频率相隔较远，相互影响很小。对于某一具体应用（如工作于基频或工作于泛音），只须考虑此频率附近的电路特性，因此可以用图（b）等效。,机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，值很小，为（几几十）,晶体作为介质的静态电容。其数值一般为（几几十)pF，较大。与石英片厚度、介电常数、极板面积有关。,2、谐振频率,串联谐振频率：,并联谐振频率：,式中,两频率之间的间隔为,晶体的主要特点是它的等效电感,特别大，而等效电容,特别小。晶体谐振器的品质因数为,很大，为（几万几百万）,图（b）所示等效电路的阻抗一般表示式为,上式在忽略,后可简化为,由此式画出的电抗曲线如图所示。由该图知：,图1.3.4 晶体谐振器的电抗曲线,晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的特点：,晶体在工作频率附近阻抗变化率大，具有很高的并联谐振阻抗。,