第讲非线性电路分析基础ppt教学课件电子教案

第5-1讲-2.2 非线性电路分析基础（1）2.2.1 非线性电路的工程分析方法（非线性电路的工程分析方法（2）学习目标：学习目标：1.掌握非线性电路的分析方法非线性电路的分析方法。2.掌握非线性器件在频率变换中的作用非线性器件在频率变换中的作用。3.了解常用的常用的4 4种工程分析方法通常适用的场合种工程分析方法通常适用的场合。2 非线性器件非线性器件是组成非线性电路的基本单元非线性电路的基本单元。严格来说，一切实际的器件都是非线性的严格来说，一切实际的器件都是非线性的，但是在一定条件下器件的非线性对电路特性影响很小器件的非线性对电路特性影响很小时，可将该器件近似地看作近似地看作是线性器件是线性器件。含有一个或多个非线性器件含有一个或多个非线性器件的电路称为非线性电路非线性电路。3 用解析法分析非线性电路时，首先是寻求描述非线性器件特寻求描述非线性器件特性的函数式性的函数式。选择函数形式必须是既要尽量精确尽量精确，又要尽量简单尽量简单以便计算以便计算。不同器件的特性不同器件的特性，可用不同的函数来描述不同的函数来描述，即使对同一器件，当其工作状态不同工作状态不同时，也可采用不同的函数去逼近可采用不同的函数去逼近。高频电路中常用的非线性电路分析方法常用的非线性电路分析方法有：幂级数分析法幂级数分析法、折线近似分析法折线近似分析法、线性时变电路分析法线性时变电路分析法、开关函数分析法开关函数分析法等。4 1.幂级数分析法 常用的非线性器件的伏安特性均可用幂级数幂级数表示。假设非线性器件的伏安特性非线性器件的伏安特性用i=f(u)来表示，且非线性器件的静态工静态工作点电压作点电压为UQ，则其伏安特性伏安特性可在在u=UQ附近展开为幂级数附近展开为幂级数：虽然利用无穷多项幂级数利用无穷多项幂级数可以精确地表示非线性器件的实际特性精确地表示非线性器件的实际特性，但给计算分析计算分析带来麻烦麻烦。在实际应用中实际应用中，常取幂级数的前几项来近似表示实常取幂级数的前几项来近似表示实际特性际特性。在工程允许范围内工程允许范围内，为了简化计算，可尽量选取较少的项数来近似尽量选取较少的项数来近似。5 为了说明非线器件在频率变换方面的作用非线器件在频率变换方面的作用，在此取（2.2.1）中的前前4 4项为例项为例加以分析，即：（1 1）外加一个电压信号时）外加一个电压信号时 假设外加电压为：代入式（2.2.2）后可得到：（2.2.3）6 （2）外加两个电压信号时外加两个电压信号时 假设外加电压为：代入式（2.2.2）后可得到：（2.2.4）7 由上述两种情况可以看出：（1）当只有电压只有电压u1作用于非线性器件作用于非线性器件时，只能得到输入信号的基波只能得到输入信号的基波分量和各次诸波分量分量和各次诸波分量，它不能完成不能完成频谱在频域上的任意搬移任意搬移。（2）当两个电压两个电压u1和和u2同时作用于非线性器件作用于非线性器件时，式(2.2.4)含有式式(2.2.3)(2.2.3)中的各项中的各项频率分量频率分量和pw2（其中p=1、2、3）、pw2qw1（其中p=1，2，q=1、2，且p+q=2、3）的组合频率分量组合频率分量。（3）值得注意的是，在产生的众多频率分量中众多频率分量中，w2w1这一组合频率分量（两个信号之间的两个信号之间的“和频和频”和和“差频差频”），说明了当两个不同频率当两个不同频率的信号同时作用于非线性器件的信号同时作用于非线性器件时，可以实现频谱的搬移可以实现频谱的搬移，也是后续电路中后续电路中经常需要的分量经常需要的分量。8 但是当当w1较小较小时，w22w1项与w2w1项频率很接近频率很接近，滤波器不易滤除不易滤除w22w1项项。为此，如何减少、甚至消除如何减少、甚至消除w2w1以外的分量以外的分量，将是我们最关最关心的基本问题之一心的基本问题之一。解决的方法有三种解决的方法有三种：（1）合理选用非线性器件及其工作状态合理选用非线性器件及其工作状态，希望希望其非线性特性高于二高于二次以上的各项的系数为零次以上的各项的系数为零，试图得到理想相乘效果理想相乘效果。例如，场效应管场效应管转移特性方程所具有的平方关系。（2）采用平衡电路采用平衡电路，抵消部分无用组合频率分量。（3）适当改变两个输入信号幅度适当改变两个输入信号幅度，使非线性器件工作在不同状态。9 需要指出的是，实际电路中非线性器件非线性器件总是与选频网络配合使用与选频网络配合使用的。其中，非线性器件非线性器件主要用于频率变换频率变换，选频网络选频网络主要用于选频或者说滤波选频或者说滤波。为了完成某种功能完成某种功能，常常用选频电路用选频电路作为线性器件的负载线性器件的负载，以便从非从非线性器件的输出电流线性器件的输出电流中选择出所需要的频率分量选择出所需要的频率分量，同时滤除不需要的各种滤除不需要的各种干扰频率成分干扰频率成分。10 2.折线近似分析法 当输入信号足够大输入信号足够大时，若用幂级数分析法幂级数分析法，就必须选取比较多的项必须选取比较多的项，这将使分析计算变得很复杂分析计算变得很复杂，这时采用折线近似分析法比较方便采用折线近似分析法比较方便。所谓折线近似分析法所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化将电子器件的特性理想化，用一组直线段一组直线段来代替实际特性曲线代替实际特性曲线，这样就忽略忽略了特性曲线弯曲部分的影响特性曲线弯曲部分的影响，简化了参数简化了参数的计算的计算，虽然计算精度较低虽然计算精度较低，但仍可满足工程计算的需要仍可满足工程计算的需要。折线近似分析法折线近似分析法在高频功率放大器高频功率放大器和大信号检波器大信号检波器中得到了应用。11 晶体管静态特性曲线晶体管静态特性曲线在折线近似分析法折线近似分析法中主要有转移特性曲线转移特性曲线与输出输出特性曲线特性曲线，如图2.2.1所示，其中虚红线表示实际的特性曲线虚红线表示实际的特性曲线。注意，折线化后的转移特性折线化后的转移特性在晶体管导通范围内晶体管导通范围内，uBE和和iC呈线性关呈线性关系系；对于大信号放大器大信号放大器，iB和和ic相对于输入信号均产生了失真相对于输入信号均产生了失真，而uBE为不为不失真的输入信号失真的输入信号，故输出特性参数用输出特性参数用uBE而不用不用iB。（a）转移特性曲线（b）输出特性曲线图2.2.1 理想化的转移特性曲线和输出特性曲线12 （1）转移特性曲线 在放大区域放大区域内，转移特性曲线转移特性曲线用一条曲线表示一条曲线表示，由于uCE对对iC的影响的影响很小很小，故折线化后折线化后可用交横轴于交横轴于Uon（导通电压）、斜率为斜率为gc的一条直线直线来表示表示。在放大区（uBEUon）的表达式为：在截止区（uBEUon）的表达式为：13 （2）输出特性曲线 在放大区放大区，可认为特性曲线特性曲线是一组与横轴一组与横轴近似平行的水平线近似平行的水平线。把从放放大区进大区进入饱和区的临界点连起来的一条直线入饱和区的临界点连起来的一条直线称为临界线临界线，该临界线临界线是一条斜率为斜率为gcr、且过坐标原点的直线、且过坐标原点的直线，其方程可写为：关于折线近似分析法的具体应用，将在第第4 4章介绍章介绍。14THE END