1、第1章 绪论,1.1 电子线路的分类 1.2 线性与非线性电子线路 1.3 非线性电子线路的应用 1.4 本课程的要求,1.1 电子线路的分类,按工作频率分低频电子线路：工作频率低于300kHz。,高频电子线路：工作频率在300kHz-300MHz。广播、电视、短波通信、移动通信等。,微波电子线路：频率高于300MHz。卫星电视、微波中继通信、雷达、导航等。,电子线路的定义：包含有源器件的网络的统称。,按信号形式分,模拟电子线路：所有完成模拟信号产生、放大、变换、处理和传输的电子线路。,按集成度分,数字电子线路：所有完成数字信号产生、放大、变换、处理和传输的电子线路。,分立电路集成电路,集成电
2、路与分立电路相比，集成电路具有体积小、性能稳定、可靠性高、维修使用方便等优点。但是，由于频率响应和功率容量的限制，目前高频、大功率电子线路还是以分立为主。,按元件性质分,线性电子线路：由线性元件组成的电子线路。,恒定参数电子线路：由恒定参数元件组成的电子线路。,线性电路是用线性代数方程、线性微分方程或线性差分方程来描述。,非线性电子线路：由非线性元件组成的电子线路。,非线性电子线路是用非线性代数方程、非线性微分方程或非线性差分方程来描述。,参变电子线路或时变电路：包含有时变参数元件的电子线路。,由于本书研究的主要是非线性电子线路，所以必须对线性电子线路和非线性电子线路有一个正确的认识。线性电子
3、线路具有线性特性，也就是它具有叠加性和均匀性，适用叠加定理。非线性电子线路与线性电子线路有五点不同。,1.2 线性与非线性电子线路,非线性电子线路与线性电子线路的五个不同点,非线性电子线路不具有叠加性和均匀性，不适用叠加定理。 如：,在稳定状态下，非线性电子线路输出变量中含有新的频率分量。 如：,3. 处于非线性状态工作的有源器件，如晶体三极管、场效应管、运算放大器等，它们的输出响应与器件工作点的选取和输入信号的大小有关。这一点，可以用图1.1说明。图1.1示出了晶体三极管的转移特性。图1.1(a)中，静态工作点取在放大区，当输入信号很小时，可近似认为是线性工作。集电极电流的变化iC与输入信号
4、ui近似为线性关系。随着输入信号幅度的增大，由于器件的非线性，集电极电流开始出现失真，以至变为余弦脉冲形状。图1.1(b)示出当静态偏置电压小于零，晶体管静态处于截止状态时，随着输入信号的增加，集电极电流开始为零，以后变为余弦脉冲的形状。,图1.1 非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点和输入信号大小的关系(a)静态工作点处于放大区； (b)静态工作点处于截止区,图1.1 非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点和输入信号大小的关系(a)静态工作点处于放大区； (b)静态工作点处于截止区,(1.21),4. 描述非线性器件特性的参量有三种：一是静态参量，也称为直流参量；二是动态参量，
5、也称为交流参量；三是折合参量，也称为平均参量。用这三种参量综合起来描述一个非线性器件的工作状态。如晶体三极管在非线性状态下工作，它的跨导要用直流跨导、交流跨导和平均跨导三个参量来表述。所谓直流跨导就是静态工作点的电流与静态工作点的电压之比。如图1.2(a)所示，直流跨导,(1.22),当输入信号ui=Uimcost，晶体管的集电极电流 为余弦脉冲时(见图1.1(b)，利用傅立叶级数展开,交流跨导是在静态工作点处的电流增量与电压增量之比。如图1.2(b)所示，交流跨导,图1.2 直流跨导与交流跨导 (a)直流跨导示意图；(b)交流跨导示意图,(1.23),其中包含有直流、基波和各次谐波分量。取其
6、中一个谐波分量的幅值Inm与输入电压幅值Uim相比，得到的比值gcn就是第n次谐波的平均跨导。如二次谐波的平均跨导为,5.非线性电子线路的数学描述是非线性方程。非线性微分方程的精确求解是一个难题，时至今日，二阶以上的非线性微分方程还没有实用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本书也将采用这种方法。随着计算技术的发展，二阶以下的非线性微分方程可以采用计算机数值解法，这种方法将会逐步走向实用。,1.3 非线性电子线路的应用,非线性电子线路是通信系统, 特别是无线通信系统的基础, 是无线通信设备的重要组成部分。1.3.1 无线通信系统的组成 无线通信(或称无线电通信)的类型很多, 可以根据传输
7、方法、 频率范围、 用途等分类。不同的无线通信系统, 其设备组成和复杂度虽然有较大差异, 但它们的基本组成不变, 图1.4是无线通信系统基本组成的方框图。,图1.3 通信系统的框图,图1.4 无线广播发送设备与接收设备框图(a)发送设备,图1.4 无线广播发送设备与接收设备框图(b)接收设备,超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。 当信号频率改变时, 只要相应地改变本地振荡信号频率即可。 由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成, 从中也可看出高频电路的基本内容应该包括: （1）高频振荡器 （2）放大器 （3）混频或变频 （4）调制与解调 注：混频器
8、：器件本身仅能实现频率变换，本振信号由另 外器件产生。变频器：器件本身既能产生振荡电压又能实现频率变换,1.3.2 无线通信系统的类型 按照无线通信系统中关键部分的不同特性, 有以下一些类型: （1） 按照工作频段或传输手段分类, 有中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和卫星通信等。 所谓工作频率, 主要指发射与接收的射频（RF）频率。 射频实际上就是“高频”的广义语, 它是指适合无线电发射和传播的频率。 无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。 （2） 按照通信方式来分类, 主要有（全）双工、 半双工和单工方式。（3） 按照调制方式的不同来划分, 有调幅、 调频、 调相以及混合调
9、制等。,（4） 按照传送的消息的类型分类, 有模拟通信和数字通信, 也可以分为话音通信、 图像通信、 数据通信和多媒体通信等。 各种不同类型的通信系统, 其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。 但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的, 遵从同样的规律。 本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路, 认识其规律。 这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。,1.3.3 传播特性 传播特性指的是无线电信号的传播方式、 传播距离、 传播特点等。 无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的能量会扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分,
10、而且在传播过程中, 电波的能量会被地面、 建筑物或高空的电离层吸收或反射, 或者在大气层中产生折射或散射等现象, 从而造成到达接收机时的强度大大衰减。 根据无线电波在传播过程所发生的现象, 电波的传播方式主要有直射（视距）传播、 绕射（地波）传播、 折射和反射（天波）传播及散射传播等, 如图 1 5 所示。 决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。 ,图1 5 无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播,1.地波：其传播情况取决于地面条件。1）地面对电磁波有吸收现象。2）电磁波频率越低，损耗越小。3）电磁波具有绕射的特性。地
11、波传播适用于长波、中波（即中、低频）多用于远距离 通信与导航。 2.天波：是经过距地面60600Km的电离层反射后，传播到接 收点的电磁波。主要优点是用较小的功率进行远距离通信。天波传播适用于短波波段。 3.散射传播：主要发生在1012Km范围内的对流层。散射特性是具有很强的方向性和随机性，还有一定的散射损耗。传播距离100500km，适用频率在400600MHz。 4.视距传播：频率较高的超短波及其更高频率的无线电波，主要沿空间直线传播。,绪论：长波信号以地波绕射为主，中波和短波信号可以以地波和天波两种方式传播，超短波以上频段信号大多以直射方式传播，也可用对流层散射的方式传播。,现代通信系统
12、,70年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机，7080年代无线电通信实现了模拟数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统。,软件无线电,进入90年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，软件无线电技术（software Radio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括多频段天线和 RF变换宽带A/D/A转换，完成IF、基带、比特流处理功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的是满足军用通信中不同频段
13、，不同信道调制方式和数据方式的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速。软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。,软件无线电的标志：1. 无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全的可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件控制的数字无线电。2. 在尽可能靠近天线的地方使用A/D/A转换器，因为信号的数字化
14、是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的A/D/A转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。,软件无线电的特点： 1. 具有完全的可编程性通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。 2. 软件无线电基于DSP技术 系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信道编译码，接口协议与信令处理，加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理。,3. 其有很强的灵活性及可扩充性 可以任意转换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号 。4. 具有集中性 由于软件无线电结构具有相对集中和统一的硬件平台，所以
15、多个信道可以享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器，从而可以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。,1.4 本课程的特点,第一、在掌握典型非线性电子线路原理的基础上，学会非线性电子线路的分析方法。 第二、非线性电子线路采用的是工程近似分析法，近似都是有条件约束的。 第三、非线性电子线路比线性电路复杂，它所涉及的知识面更广，因此要注意知识的综合能力。,附：LC谐振回路,LC谐振回路是高频电路中应用最广的无源网络, 也是构成高频放大器、 振荡器以及各种滤波器的主要部件, 在电路中完成阻抗变换、 信号选择等任务, 并可直接作为负载使用。 1. 简单谐振回路谐振回路就是由电感和电容串联或并联形成的回
16、路。 只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。（1） 串联谐振回路。 图1（a）是最简单的串联振荡回路。,图1 串联震荡回路及其特性,在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,若在串联振荡回路两端加一恒压信号 , 则发生串联谐振时因阻抗最小, 流过电路的电流最大, 称为谐振电流, 其值为,其模为,其中,（附1）,图 2 串联谐振回路的谐振曲线,图3 串联回路在谐振时的电流、 电压关系,称为回路的品质因数, 它是振荡回路的另一个重要参数。 根据式（ 附1 ）画出相应的曲线如图2 所示, 称为谐振曲线。,令,为广义失谐, 则式（附1）可写成,在实际应用中, 外加信号的频率与回路谐振频率
17、0之差=-0表示频率偏离谐振的程度, 称为失谐。 当与0很接近时,（附2）,(2 10),(2） 并联谐振回路。 串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。,当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 将回路电流值下降为谐振值的 时对应的频率范围称为回路的通频带, 也称回路带宽, 通常用B来表示。 令式（附2）等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽为.,图4 并联谐振回路及其等效电路、 阻抗特性和辐角特性(a) 并联谐振回路; （b）等效电路; （c）阻抗特性; （d）辐角特性,并联谐振回路的并联阻抗为,(2 11),式中, Q为回路的品质因数, 有,当
18、时, 。 回路在谐振时的阻抗最大, 为一电阻R0,定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0, 令Zp的虚部为零, 求解方程的根就是0, 可得,（附3）,并联回路通常用于窄带系统, 此时与0相差不大, 式（附3）可进一步简化为,式中, =-0。 对应的阻抗模值与幅角分别为,图5 表示了并联振荡回路中谐振时的电流、 电压关系。,例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载, 信号中心频率fs=10MHz, 回路电容C=50 pF, (1) 试计算所需的线圈电感值。(2) 若线圈品质因数为Q=100, 试计算回路谐振电阻及回路带宽。 (3) 若放大器所需的带宽B=0.5 MHz, 则应在回路上并联多
19、大电阻才能满足放大器所需带宽要求? 解 (1) 计算L值。,将f0以兆赫兹(MHz)为单位, 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f0=fs=10 MHz代入, 得,(2) 回路谐振电阻和带宽。,回路带宽为,(3) 求满足0.5MHz带宽的并联电阻。 设回路上并联电阻为R1, 并联后的总电阻为R1R0, 总的回路有载品质因数为QL。 由带宽公式, 有,此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故,回路总电阻为,需要在回路上并联7.97 k的电阻。,U 部分电抗两端电压 UT总电抗两端的电压,2) 抽头并联振荡回路作用：实现阻抗匹配或阻抗变换。见图接入系数（或
20、抽头系数）p的定义：与外电路相联的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。也可用电压比来表示。,图6 几种常见抽头振荡回路,高Q值时：,L1,对于图2 9（b）的电路, 其接入系数p可以直接用电容比值表示为,4) 在回路失谐不大，又p不很小时：,电压源的折合: U=pUT,图 7 电流源的折合,及,如图7 的电流源的折合：,谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些, 而不再是Q倍。 由,可得,图 8 抽头回路,例 2 如图8， 抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有损耗, 试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。,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,解 由
21、于忽略了回路本身的固有损耗, 因此可以认为Q。 由图可知, 回路电容为,输出电压为,回路有载品质因数,回路带宽,回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅U=IR=2 V, 故,例3：如图所示为一等效电路，其中L=0.8uH,空载Q值Q0100，C=5pF，C120pF，C220pF，RL5k，R=10k 。 试求回路的谐振频率、谐振电阻Rp。,由左图可画出右图的等效电路 （1）回路的谐振频率 回路总电容,（2）将RL 折合到回路两端时的接入系数p为,例4. 电路如图所示。给定参数为工作频率f0=10.7MHz，C20pF，线圈L13的QO60， N12=6匝，N23=6匝，N45=3匝，
22、R=10k，Rg=2.5 k，RL=830，Cg=9pF，CL=12pF。求： L13、回路有载品质因数QL 和带宽B0.7,思考 下图为紧耦合的抽头电路，其接入系数的计 算可参照前述分析。,给定回路谐振频率fp = 465 kHz，Rs = 27K，Rp =172K， RL = 1.36K，空载Qo = 100，P1 = 0.28，P2 = 0.063，Is = 1mA 求回路通频带B = ？和等效电流源,本 章 要 求 深刻领会线性和非线性电子线路中有源器件的工作条件以及非线性器件的基本特点 理解无线通信系统的组成及信号流通过程中的频率变换 了解无线通信信号的特征及表示方法 掌握LC谐振回路的基本参数和特征，理解选频、阻抗变换、幅频和相频转换等作用,
