电子线路非线性部分(第五版)冯军谢嘉奎绪论和第一章

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、线性电子电路与非线性电子电路电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：线性电路：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。非线性电路：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。器件特性与使用条件密切相关，例如：小信号条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用线性等效电路表示，例如各种小信号放大器(《线性电子线路》)中，器件的特性归属线性电子线路。大信号条件下，输入信号大，必涉及器件的非线性部分，例如功率放大器。故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，功放归属非线性电子线路。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(1)有线通信系统：利用导线传送信息(2)无线通信系统：利用电磁波传送信息(3)光纤通信系统：利用光导纤维传送信息2．无线通信系统图0-1-1无线通信系统的组成组成：发射装置+接收装置+传输媒体(1)发射装置①换能器：将被发送的信息变换为电信号。例：话筒将声音变为电信号。将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。②发射机：无线通信系统的组成③天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。(2)接收装置接收是发射的逆过程。①接收天线：高频电振荡还原电信号②接收机：将从空间接收的电磁波高频电振荡。③换能器：将电信号还原所传送信息(3)传输媒体——电磁波电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：长波、中波、短波、超短波。表1各波段特点波段波长/m频率/MHz特点说明中、长波2001.5沿地表传播大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大短波10~2001.5~30靠电离层反射传播电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。频率越高，被吸收的能量越小，但频率超过一定值，电磁波会穿过电离层，不再返回地面超短波1030沿空间直线传播地球表面是弯曲的，所以只能限制在视线范围内图0-1-2无线电波传播方式传播距离：电离层＞地面＞直线3．无线通信存在的问题(1)接收信号微弱电磁波长距离接收天线(2)存在干扰例如其他电台的发射信号，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等。对接收装置的要求：增益高，选择性好。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(如音频信号)去控制高频振荡信号的某一参数(如振幅)，使该参数按照电信号的规律而变化(调幅)。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①减小天线的尺寸。音频范围：20Hz~20kHz，若发射100Hz，波长=c/f=3000km，天线至少几百千米。需减少波长，提高发射频率。②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他电台发送的信息和各种干扰。5．调幅发射机组成图0-1-3调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成各部分作用：(1)振荡器产生fosc的高频振荡信号，几十千赫以上。(2)高频放大器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，前几级为小信号放大器，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．调幅接收机图0-1-4调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成(1)高频放大器为小信号谐振放大器，作用：①选台。利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其他频率的干扰信号。②放大。放大选出的有用信号。(2)混频器两路输入为：①由高放级：已调信号fc。②由本机振荡器：本振信号fL。作用：载波变频——将已调信号的载波由fc(高频)变换为fI(中频)，fI=|fc-fL|而调制波形不变。(3)本机振荡产生频率为fL=|fc+fI|(或fL=fc-fI)的高频等幅振荡信号。fL可调，并能跟踪fc。(4)中频放大器为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。(5)检波器解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。(6)低频放大器小信号放大器＋功率放大器，作用：放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。可见，有用信号在不同频率上进行放大——超外差接收机。特点：解调电路前包括混频器、本机振荡、中频放大器等。优点：增益高，选择性好。直接高放接收机：解调前仅包括高放，无混频器、本机振荡、中频放大器等，增益低，选择性差。7．其他通信系统①调频无线通信系统，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。实现调制的模块——频率调制器；实现解调的模块——频率检波器或鉴频器。②数字通信系统，调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制。③软件无线电，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．小结(1)非线性电子线路讨论的范围除小信号放大器以外的其他功能电路——振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器。(2)本课程讨论的内容——三类电路①功率放大电路——在输入信号作用下，可将直流电源提供的部分功率转换为按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。②振荡电路——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。③波形变换和频率变换电路——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。本课程将顺序学习这三类电路。0.2非线性器件的基本特点非线性电子线路中，上述三类功能的实现利用了器件的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的基本特点(参数、控制变量、不能用叠加定理)。一、非线性器件特性的参数主要有三个参数：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iv图0-2-1例：非线性电阻：①直流电导定义：QQQ0VIg意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。应用：直流分析。②交流电导定义：QQQddvivig意义：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。特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。应用：交流分析。③平均电导图0-2-2在大信号作用下的电流波形定义：当器件两端加余弦电压v=Vmcost时，因特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其按傅里叶级数展开：+++tItIIi2coscos2m1m0则平均电导即为基波电流振幅与外加电压振幅之比：mm1,QavmVIgV意义：反映基波电流与外加电压间的依存关系。特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。应用：功放和振荡电路分析。二、非线性器件特性的控制变量控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时须注明它的控制变量。1．控制量不同，特性不同iv图0-2-1例1：二极管电压为控制量——电流对电压呈指数关系变化；电流为控制量——电压对电流呈对数关系变化。2．特性为非单调时——多值和负值例2：隧道二极管图0-2-3伏安特性曲线(1)控制变量电压：电流为单值电流：电压为多值——压控非线性器件(2)直流电导g0＞0，在曲线上任一点均为正。(3)交流电导g(a,b)0，即在a、b段为负电导。器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，尤其特性非单调变化时——非线性与线性器件的重要区别。三、不满足叠加定理若i=f(v)，v=v1+v2则i=f(v1+v2)但if(v1)+f(v2)例i=av2v=v1+v222212122212avavvavavavi+++注意，i中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。若v1=V1mcos1t，v2=V2mcos2t，则i中除出现1，2两分量外，还出现两电压乘积项产生的角频率为12的新频率分量。出现新的频率成分非线性电路可以实现频率加、减等更多电路功能。0.3本课程的特点1．工程上采用近似分析法非线性器件物理特性复杂，需要解非线性方程或时变系数的线性微分方程。对策：对器件数学模型和电路工作条件进行合理近似，用近似分析方法获得具有实用意义的结果。2．功能与电路形式多对策：抓本质——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，坚持理论联系实际本书内容安排的三个层次：①由电路功能的基本原理导出基本电路。②合理近似，引出对电路的工程近似分析。③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。第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.2功率放大器的电路组成和工作特性1.3乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术1.5整流与稳压电路第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.1.1功率放大器1.1.2电源变换电路1.1.3功率器件1.1功率电子线路概述作用：高效地实现能量变换和控制。种类：(1)功率放大电路特点：放大用途：通信、音像等电子设备。(2)电源变换电路特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。1.1.1功率放大器特点：工作在大信号状态。一、功率放大器的性能要求①安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。②高效率。C——集电极效率(CollectorEfficiency)CooDoCPPPPPη+Po——输出信号功率；PD——电源提供的功率；PC——管耗(PowerDissipation)/集电极耗散功率；Po一定，C越高，PD越小PC小，既可选PCM小的管子，以降低费用，也节省能源。③失真小。尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。二、功率管的运用特点1．功率管的运用状态根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。①甲类：功率管在一个周期内导通，c=。②乙类：功率管仅在半个周期内导通，c=/2。③甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，/2c。④丙类：功率管在小于半个周期内导通，c/2。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。功率管的运用状态根据下列曲线说出功率管的应用状态：图1–1–1各种运用状态下的输出电流波形2．不同运用状态下的C管子的运用状态不同，相应的Cmax也不同。CooCPPPη+减小PC可提高C。假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE，则PC为20CECCd21tviP讨论：若减少PC，则要减少iCvCE方法1：由甲类甲乙类乙类丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大iC=0)的时间。方法2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。饱和时，vCEVCE(sat)很小PC很小；截止时，iC很小，iCvCE也很小PC很小。总之：为提高C，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见1.2节)。1.1.2电源变换电路按变换方式不同：(1)整流器(Rectifier)：交流电-直流电。应用：电子设备供电。(2)直流-直流变换器(DC-DCConverter)：直流电-直流电。应用：开关电源。(3)逆变器(Inverter)：直流电-交流电。应用：不间断电源、变频电源。(4)交流-交流变换器(AC-ACConverter)：交流电-交流电。应用：变压等。1.1.3功率器件功率管的种类：(1)双极型功率晶体管(2)功率MOS管(3)绝缘栅双极型功率管