非线性电子

非线性电子

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.
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.
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
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
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.例如话筒将声音变为电信号.
②发射机:将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡.
③天线:将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射.
(2)传输媒体——电磁波
电磁波传输方式,依据波长不同,可分:
波 段
波 长
频 率
特 点
说 明
中,长波
>200m
<1500kHz
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
10m-200m
1500kHz～30MHz
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,但频率越过一定值,电磁波会穿过电离层,不再返回地面
超短波
30MHz
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
传播距离比较:电离层>地面>直线.
(3)接收装置
接收是发射的逆过程
①接收天线:将空间传播到其上的电磁波→高频电振荡
②接收机:高频电振荡电信号
③换能器:将电信号所传送信息
3.无线通信存在的问题
①接收信号微弱:电磁波接收天线
②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.
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显著减小天线的尺寸(音频20Hz～20kHz,天线要几百km);
②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.
(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
(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.是可调谐的.
(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(或)的高频振荡信号.fL是可调的,并能跟踪fc.
(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)增量参数: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.
①直流电导:,适用于直流分析
表明直流电流与直流电压间的依存关系.
其值是VQ(IQ)的非线性函数.
②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
③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
例:隧道二极管的特性曲线
(1)控制变量为
电压:电流为单值
电流:电压为多值
(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.
*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.
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:
①实现各功能的基本原理并由此导出基本电路.
②进行合理近似,引出对电路进行近似的工程分析.
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.