作业

第 1 章 选频回路与阻抗变换

1-1

对于并联谐振回路,

S=V(ω)V(ω0)=11+(Q2Δωω0)2=11+(Q2Δff0)2,

S=1016/200.1585,代入 f0=640 kHz,Δf=100 kHz,得

Q=f02Δf1S2119.9354,

于是 BW3dB=f0Q32.1036 kHz.


1-2

首先有 Q=f0BW3dB=66.67,并且 XC=12πf0C=284.205 Ω

于是 R=XCQ=18.947 kΩ,并且 L=XC2πf0=4.52327μH.

从而 S=[1+(Q2Δff0)2]12=0.124035=18.1291 dB.

欲使通带增至 300 kHz,需要 Q2=f0BW3dB=33.33

于是 R2=XCQ2=R2,从而需要并联 RP=R=18.947 kΩ.

备注 以后约等于简写为等于.


1-5

由实际并联回路的谐振频率公式,

f0=ω02π=12πLC11Q02=465.270 kHz,

于是 r=2πf0LQ0=11.4012 Ω,从而 RP=(1+Q02)r=114.023 kΩ

考虑源电阻与负载电阻,

Qe=RS//RP//RLXC=Q01+RPRS+RPRL=36.8956,

于是通频带为 BW0.3dB=f0Qe=12.6105 kHz

从而选择性为 S=[1+(Qe2Δff0)2]12=0.533354=5.45969 dB.


1-6

首先计算 RP=Q02πf0C=15.9155 kΩ,于是 P2=RLRP+RLRSP12=0.335905

考虑源电阻与负载电阻,

Qe=Q01+RPRSP12+RPRLP22=27.8431,

从而通频带为 BW0.3dB=f0Qe=359.155 kHz.


1-8

由于部分接入的阻抗变换网络 Q 值较高,

回路的总电容为 C=Ci+C1(C2+C0)C1+(C2+C0)=18.33 pF

于是 ω0=1LC=26.1116 rad/s

从而空载谐振阻抗 RP=ω0LQ0=20.8893 kΩ

电容部分接入的接入系数为 P=C1C1+C2+C0=13

部分接入转全接入,有 R0=R0P2=9R0

于是有载品质因数为

Qe=Q01+RPRi+RPR0=28.1441,

从而通频带为 BW0.3dB=f0Qe=1.47661 MHz.

备注 感觉题目中画了并联电阻 RP. 或者,我的理解是电感有损,等效于并联了电阻 RP.


1-9

并联谐振的 Q 值为 Qe=f0BW3dB=10

由于为最大功率传输,并且线圈 Q0 视为无穷,

P2=RLRL=RLRS=19,从而 C2=2C1

并且等效总电阻 R=RS//RL=4.5 kΩ

于是电容为 L=Rω0Qe=R2πf0Qe=4.47623 μH

从而 C=1ω0XC=1ω02L=22.1049 pF

C=C1C2C1+C2C2=2C1 解得 C1=33.1573 pF,C2=6.63146 pF.


1-10

并联谐振的 Q 值为 Q1=f0BW3dB=40

角频率 ω0=2πf0=6.28319109 rad/s

于是并联电感为 L=Riω0Q1=198.944 pH

并且总电容值为 C=1ω02L=127.324 pF.

记并联回路的 Q 值为 Q2=ω0C2R2,则

Ri=(1+Q12)R2S=1+Q121+Q22R2

解得 Q2=12.6135,从而 C2=Q2ω0R2=401.5 pF

于是 C2S=Q22C21+Q22=398.992 pF,由 C=C2SC1C2S+C1 解得 C1=186.998 pF.


1-12

由于输入阻抗大于负载电阻,若采取 L 网络阻抗变换,则负载电阻与匹配网络中的电感串联,刚好可以与寄生电感合并,因此这里采用 L 网络阻抗变换。

大致思路如下图所示,负载与电感串联后变换为并联,从而增大负载电阻;而为了使输入阻抗为纯电阻,还需要并联电容。

image-20230605112800296

由输入阻抗 Ri=RP=(1+Q2)RL,解得并联回路的品质因数为 Q=2.

于是根据品质因数的定义式 Q=XSRL=RPXP,解得 CP=63.662 pF

串联总阻抗为 XS=20 Ω,减去原有的阻抗,有 XS=XSω0L0=42.8319 Ω

因此需要新串联的元件为电容而非电感,其参数为 CS=1ω0XS=37.1581 pF.


1-14

什么是归一化阻抗变换?如果取 ZL=50zL 的话:

(1)zL=(0.5j0.8) Ω.

ZL=50zL=(25j40) Ω,于是内接电感,且 Q=50251=1

从而串联电感 XL=RLQ+XCL=65 Ω,并联电容 XC=RSQ=50 Ω.

(2)zL=(1.6+j0.8) Ω.

ZL=50zL=(80+j40) Ω,于是外接电感,且 Q=80501=0.774

先用串联电容 XC1=40 Ω 抵消负载感抗,

再并联电容 XC=RLQ=103.3 Ω 实现阻抗变换,

最后串联 XL=RSQ=38.7 Ω 从而使输入阻抗为纯电阻.


 

 

 

第 2 章 噪声与非线性变换

2-1*

(1)

In2=4kTBR=3.13882×1021 A2.

Vn2=In2R2=8.16408×1010 V2.

(2)

Vn2=4kTB(R1//R2)=2.68555 V2.


2-2*

Pn=4kTBR1+R214(R1+R2)=kTB.


2-3

⭐️

H(ω)=11+jωRC,

N0=n00+|H(ω)|2df=n00+df1+4π2f2R2C2=n02πRCπ2=n04RC.


2-4

Te1=(F11)T0=288.626 K,

Te=Te1+Te2GP1=313.924 K.

F=1+TeT0=2.0825.


2-5

Ft=k[Ta+(F1)T0]B=174 dBm/Hz+3dB+10lgB=121 dBm,

Pin, min=Ft(SNR)0,min=101 dBm,

DRl=10dBmPin, min=91dBm.


2-6*

H(ω)=1j(ωC1ωL)+1RH(ω0)=R,

0+|H(ω)|df=,

备注 BL=14RC. 🌙


2-7

⭐️

(1)线性动态范围

Ft=k(Ta+(F1)T0)B=87.4161 dBm,

Pi, 1dB=2539=14 dBm,

以基底噪声为下限:DRl=73.4171 dB.

以灵敏度为下限:DRl=63.4171 dB.

(2)无杂散动态范围

IIP3=OIP3G=5 dBm,

以基底噪声为下限:DRf=54.9447 dB.

以灵敏度为下限:DRf=44.9447 dB.


2-8

OIP3=1014/10.1001022/10+1001013/10=6.48503,


2-9

与 2-8 同理得 20.8067 dBm.


2-12

Pin, min=k(Ta+(F1)T0)B(SNR)i=108.053 dBm.

Vin=RinPin, min=8.84761105 V.

AV=115.043 dB.


2-13

F=F1+F21GPA1=13.861=11.4186 dB,

  1. Pin, min=117.787 dB,

  2. Pin, min=115.55 dB.


 

 

 

第 3 章 调制和解调

3-1

⭐️

进行了两次 AM 调制,第一次将 F=3 kHz 的音频调制到载频 f1=10 kHzf2=30 kHz 上,第二次再将其调制到主载频 f0=1000 kHz 上.

v1(t)=4(1+0.5cosΩt)cosω1t,v2(t)=2(1+0.4cosΩt)cosω2t,v(t)=5[1+0.8(1+0.5cosΩt)cosω1t+0.4(1+0.4cosΩt)cosω2t]cosω0t.

平均功率为

Pavg=0.222+0.522+12+22+522=18.08 W.

BWAM=66 kHz.


3-2

  1. Pc=1022 mW=50 mW.

  2. P=524 mW=6.25 mW.

  3. Pmax=1022(1+0.5)2=112.5 mW.

  4. Pmin=1022(10.5)2=12.5 mW.


3-6

  1. 信号:

    v1(t)=AVAM(1+m1cosΩ1t+m2cosΩ2t)cosωct,v2(t)=0.1AVAMcosωct+0.5AVAMm1cos(ωc+Ω1)t+0.5AVAMm2cos(ωc+Ω2)t,v3(t)=0.1AVAMm1cos(ωcΩ1)t+0.5AVAMcos(ωct)+0.4AVAMm1cos(ωc+Ω1)t+0.5AVAMm2cos(ωc+Ω2)t.
  2. 双边调制(AM);单边带信号(SSB);残留边带调幅.

  3. 包络检波或相干解调;相干解调(同步检波);相干解调.


3-9

调频(FM):相位为角频率的积分.

调相(AM):角频率为相位的导数.


3-11

  1. v(t)=30cos(18π×107t+5sin(4π×104t)).

  2. Δfm=mfF=100 kHz.

  3. BWCR=2(Δfm+F)=240 kHz.

  4. P=302250=9 W.

  5. Po=|J0(5)|2=0.04.


3-12

🌙

  1. Δfm=mfFmf=3,

    ω(t)=2π×50×106+2π×6×103cos2π×2×103t rad/s,

    φ(t)=108πt+3sin4π×103t rad,

    v(t)=5cos(108πt+3sin4π×103t) V.

  2. Δφm=mp=4.5,

    φ(t)=108πt+4.5cos4π×103t rad,

    ω(t)=108πt18π×103sin4π×103t rad/s,

    v(t)=4cos(108πt+4.5cos4π×103t) V.

  3. (1)1.5 V, 2 kHz

    1. 调频波:mf=3,BWCR=16 kHz.

    2. 调相波:mp=4.5,BWCR=22 kHz.

    (2)1.5 V, 4 kHz

    1. 调频波:1.5, 20 kHz.

    2. 调相波:4.5, 44 kHz.

    (3)3 V, 2 kHz

    1. 调频波:6, 28 kHz.

    2. 调相波:9, 40 kHz.

备注 注意题目中给出了单位电压的频偏,而非最大电压.


3-13

v(t)=10cos(4π×107t+3sin4π×103t+83sin5π×103t) V.

频率:ω(t)=4π×107+12π×103cos4π×103t+43104cos4π×103t rad/s.

频谱分量的频率略.

 

 

 

第 4 章 发送机接收机结构

4-5

⭐️

  1. (SNR)i=15 dB.

  2. Sout=80 dBm.

  3. Nout=Gk(F1)T0B+GNi=94.0243 dBm.

  4. (SNR)o=14.0243 dB.


4-10

  1. 噪声系数:

    F=F1+F21GP1+F31GP1GP2=102/10+101/1011010/10+104/1011010/10101/101.801122.55543 dB.
  2. Te=(F1)T0=232.325 K.

  3. No=Gk(Te+Ta)B=1.35877×1013 W=98.6695 dBm.

  4. SDSB=N0B=168.669 dBm.

  5. Vin,min=(SNR)oNoRG=13.0635 μV.

 

 

 

第 5 章 低噪声放大器

5-3

5-4

5-5

5-9

 

第 6 章 混频器

6-6

由于本振信号幅度较大,近似起到开关作用,即 ic(t)=a[vRF(t)+vLO(t)]2S1(ωLOt)

其中 S1(ωLOt)=12+2πcos(ωLOt)+,由于平方可以直接得到乘积项,这里只取单向开关函数的直流分量,于是积化和差后得到中频信号 iIF(t)=a2VRFVLOcos(ωRFωLO)t

从而变频跨导为 gfc=a2VLO,电压增益为 AV=a2VLORIF,其中 RIF 为中频负载电阻.

备注 也可以直接研究时变跨导 g(t)=2avLO(t)S1(ωLOt).


6-7

  1. VQ=12V1m,曲线如下图所示:

    image-20230623095140707

    傅里叶级数略,可参考备注中的代码. 跨导含有基波分量,因此可以实现频谱搬移.

  2. VQ=0,此时 gm(t)=S1(ω1t).

    image-20230623100221989

    傅里叶级数见教材 58 页. 跨导含有基波分量,因此可以实现频谱搬移.

  3. VQ=V1m,此时为线性,跨导为常数,因此不能实现频谱搬移功能.

备注


6-8

(1)混频

v1 为大信号、v2 为小信号时,可如题述表达式近似计算.

此时 v1(t) 保证工作在线性时变状态,以产生组合频率分量.

因此取 v1(t)=vLO(t)(本振大信号),v2(t)=vRF(t)(射频小信号).

于是输出电流包含的频率分量有 |ωRF±(2k+1)ωLO|,kN.

滤波器的中心频率为 ωIF=ωRFωLO,带宽为 2ωRF.

(2)双边带调制

与(1)的思路类似,取 v1(t)=vc(t)(载波大信号),v2(t)=vΩ(t)(调制小信号).

于是输出电流包含的频率分量有 |(2k+1)ωc±Ω|,kN.

滤波器的中心频率为 ωc,带宽为 2Ω.

(3)双边带调制波解调

对于频率为 ωc+Ω 的已调波,通过频率为 ωr=ωc 的参考信号与之相乘即可.

因此取 v1(t)=vr(t)(参考信号),v2(t)=vDSB(t)(双边带调制信号).

于是输出电流包含的频率分量有 |2kωc±Ω|,kN.

滤波器为低通滤波器,带宽为 Ω.

备注 双曲正切函数的泰勒展开式只包含奇次分量,并可用伯努利数表示为

tanhx=n=122n(22n1)B2nx2n1(2n)!=xx33+2x515,|x|<π2.

6-9

该电路为单平衡混频器,输出电压由电容滤去直流分量,因此 vo(t) 即下式的交流分量:

ic32(1tanhqvS(t)2kT)RL,

其中

ic3ie3=2014+vL(t)0.72000=2.65+0.045cos(108t) mA,

中频频率为 ωIF=ωLOωS=107 rad/s, 于是并联回路空载谐振阻抗为

RP=Q0XC=Q0ωIFC=100 kΩ,

从而等效负载阻抗为

RL=RP//RL=9.09 kΩ,

在常温下,取 UT=kTq=26 mV,近似取 tanhxx,于是有

vo1.96×103(1+mf(t))cos107t mV.

备注


6-14

  1. 由于本振信号可作为开关函数,当二极管导通时,有下左式:

    {vL(t)+vS(t)iD1(t)RD=vo(t),vL(t)vS(t)iD2(t)RD=vo(t),vo(t)=(iD1(t)iD2(t))RL.vo(t)=2RL2RL+RDvS(t)S1(ωLt).
  2. vL(t)>0 时,可认为二极管都导通,反之则都截止. 于是有

    {vS(t)+vL(t)vo(t)=iD1(t)RD,vS(t)vL(t)vo(t)=iD2(t)RD,vo(t)=(iD1(t)iD2(t))RL.vo(t)=2RL2RL+RDvS(t)S1(ωOt).
  3. vL(t)>0 时,vL(t)+vS(t)vo(t)=iD1(t)RD,

    vL(t)<0 时,vL(t)vS(t)vo(t)=iD2(t)RD.

    其中 vo(t)=(iD1(t)iD2(t))RL,于是

    vo(t)=RLRL+RD[vS(t)S2(ωLt)+vL].

注意 第一问涉及到多个变压器,需要列写回路方程,而不能直接使用单个变压器的阻抗变换公式.


6-15

同 6-15.1 分析可知,

i=iD1iD2=2vS2RL+RDS1(ωLt)VSmRLcos(ωLt)S1(ωLt).

于是中频电流为 iIF=VSmπRLcos(ωLωS)t

中频功率为 PIF=VSm22π2RL.

输入端射频信号电流分量为:iS=VSm2RLcos(ωLt)

于是射频信号功率为 PRF=VSm24RL

从而变频损耗为 LM=PRFPIF=π226.9327 dB.


 

 

 

第 7 章 振荡器

7-2

  1. 第一问

    1. 共基极输出电压同相,变压器同名端反相,故为负反馈,无法产生自激振荡.

    2. 共射极输出电压同相,变压器同名端反相,故为正反馈,有可能产生振荡,属于互感 LC 振荡器.

    3. 发射极相连两个电抗元件同性,但另一个电抗元件也为同性,故无法产生自激振荡.

    4. ce 极接感性元件,因此 be 接感性,bc 接容性. 高频时趋于感性,因此满足

      ω2=1L2C2<ωosc<ω1=1L1C1

      时可发生振荡.

    5. 考虑晶体管 be 间的 极间电容,可构成电容三点式振荡器.(但是振荡频率不稳定)

  2. 问题二

    1. 不可以,是负反馈.

    2. 不满足一般法则.

    3. 不合理...

备注


7-3

  1. f03>max{f01,f02} 时,为电感三点式振荡器,max{f01,f02}<fosc<f03.

  2. f03<min{f01,f02} 时,为电容三点式振荡器,f03<fosc<min{f01,f02}.

其余情况无法发生振荡.

备注 同 7-2,是我的问题还是答案的问题...


7-5

  1. 正反馈,故可能满足振幅条件.

    环路增益的相位为零,故可能满足相位条件.

    LC 并联回路保证了相频特性斜率为负,从而满足相位稳定条件.

    因此电路可以发生振荡.

  2. 由矢量图法知,反馈电压与输入电压不同相,因此无法振荡.

  3. T1 为共基极,T2 为共集电极.

    T1 未引入反馈,T2 引入了负反馈,因此无法振荡.


7-7

 

 

7-10

 

7-13

 

7-2-1

教材例题,书上有详细解答. ⭐️

 

 

 

第 9 章 调制和解调电路

9-1

不妨认为各线圈匝数比均为 1 : 1.

(a)由

{i1(t)=gD[vc(t)+vΩ(t)vo(t)]S1(ωct),i2(t)=gD[vc(t)+vΩ(t)+vo(t)]S1(ωct),vo(t)=i(t)RL=(i2(t)i1(t))RL.i(t)=0.

于是无法实现双边带调幅.

(b)由

{i1(t)=gD[vc(t)+vΩ(t)vo(t)]S1(ωct),i2(t)=gD[vc(t)+vΩ(t)+vo(t)]S1(ωctπ),vo(t)=i(t)RL=[i1(t)+i2(t)]RL.

解得

i(t)=gDS2(ωct)gDRL1(vc(t)+vΩ(t)),

取双向开关函数基波分量,于是可实现双边带调幅.

包含的频率有:2kωc,(2k1)ωc±Ω,kN+.

(c)可以实现双边带调幅:由

{i1(t)=gD[vΩ(t)+vc(t)vo(t)]S1(ωct),i2(t)=gD[vΩ(t)vc(t)+vo(t)]S1(ωctπ),vo(t)=i(t)RL=[i2(t)i1(t)]RL.

解得

{i1(t)=gDS1(ωct)1gDRL[vΩ(t)+vc(t)],i2(t)=gDS1(ωct)1gDRL[vΩ(t)vc(t)].i(t)=gD1gDRL[vΩ(t)S2(ωct)vc(t)].

取双向开关函数基波分量,于是可实现双边带调幅.

包含的频率有:(2k+1)ωc±Ω,ωc,kN.

(d)由

{i1(t)=gD[vc(t)+vΩ(t)vo(t)]S1(ωct),i2(t)=gD[vc(t)vΩ(t)vo(t)]S1(ωct),vo(t)=i(t)RL=[i1(t)+i2(t)]RL.

解得

i(t)=2vc(t)S1(ωct)gDRL1.

于是无法实现双边带调幅.

备注 定性分析不需要考虑输出电压的影响. 定量分析则需要考虑(即上述过程)


9-3

v1(t) 为大信号,则 D1 和 D2 管始终无法导通,无法利用二极管桥式电路的特性.

因此 v1(t) 为小信号,大信号 v2(t) 起到开关作用.

(1)作为混频器(以下混频为例)

v1(t)=vRF(t) 为射频小信号,v2(t)=vLO(t) 为本振大信号.

  1. 当二极管未导通时,有

vo(t)=RLv1(t)R1+RL,
  1. 当二极管导通时,由于 RLRD,可认为 RL 一路为开路.

由于二极管特性一致,可认为大信号 v2(t) 仅提供静态工作点,而不直接影响 vo(t).

二极管回路的等效阻抗为 RD,于是此时的输出电压为

vo(t)=RDv1(t)R1+RD,

因此任意时刻的输出电压为

vo(t)=RDv1(t)R1+RDS1(ω2t)+RLv1(t)R1+RLS1(ω2tπ).

(2)用于振幅调制

由上述分析,v1(t)=vΩ(t),v2(t)=vc(t),输出电压表达式与(1)完全相同.


9-5

晶体管由二极管组成,其电流方程为 i=ISeuUT,于是

iE=vΩ5(10)RE=i1+i2=i2(1+evcUT)=i1(1+evcUT),

解得

i2=vΩ+52RE(1tanhvc2UT)vΩ+52RE(1S2(ωct))vΩ+52RE(14πcos(ωct)),

选频回路中心频率 ω0=ωc,于是输出电压为

vo=10+2ReπRE(cosωct+VΩmcosΩtcosωct).

备注 标答错了吧?音频信号都能滤了,直流分量还滤不掉?还有一个符号反了.


9-10

由于输入大信号,忽略二极管导通电压. 于是

iD=vs(t)RD+RLS1(ωst)VsmRD+RL(12cosωst+2πcos2ωst),

平均电流为 iAV=Vsmπ(RD+RL),基波分量为 iD1=Vsmcos(ωst)2(RD+RL)

于是电压传输系数为 kd=VAVVsm=RLπ(RD+RL),基波输入阻抗为 Ri=VsmID1m=2(RD+RL).


9-12

最高工作频率时调幅波为 vi(t)=Vcm(1+0.3cos2π×4×103t)cos2π×465×103t

(1)电容 C 的参数选择.

  1. 为滤除高频载波,应有 τ=RC1ωc,取 C10Rωc=3.42669×1010.

  2. 为使低频调制信号通过,应有 τ=RC<1Ωmax,即 C<3.97887×109.

  3. 为避免惰性失真,应有 RC1ma2Ωmaxma,即 C1.30826×108.

(2)ab 端的输入阻抗.

由于含二极管,从变压器输出端看去的阻抗为 R=R2

于是检波器的等效输入阻抗为 R=n2R=1020.41 kΩ.

谐振回路的空载阻抗为 RP=Q0XC1=Q0ωcC1=85.5672 kΩ.

于是总输入阻抗为 Rab=RP//R=78.947 kΩ.

备注 标答的惰性失真条件计算有误,不过不影响电容参数的范围.


9-13

并联检波器输入阻抗:RL=RL2//RL=13RL

并联谐振回路总负载:RP=Re0//RL=1.19289 kΩ

并联谐振回路输出电压:vs(t)=isRP=1.19289(1+0.6cosΩt)cosωct V

检波电容的平均电压:vC=kdVsm(t),其中检波效率 kd 与电路参数有关.

于是检波器输出电压:vo=vsvC.


9-23

(1)

{n1n2mpFmax=Δfm,n2(fLn1fc1)=fc.{n1=75,n2=50.

(2)

f1(t)=105+20cosΩt (Hz),f2(t)=7.5106+1.5103cosΩt (Hz),f3(t)=21061.5103cosΩt.

备注 题目中的 F 最大应该就是 100 Hz 吧?如果按最大值 15 kΩ 算的话,n1=2.32,n2=10.79.


9-24

(1)

  1. ΩRC1,满足积分条件,故输出调频波.

  2. ΩRC≫̸1,不满足积分条件,故输出调相波.

(2)

  1. ΩRC≪̸1,不满足微分条件,故输出调频波.

  2. ΩRC1,满足微分条件,故输出调相波.

(3)

  1. vd=AϕmfsinΩtvo=AAϕΩcosΩt,故为鉴频.

备注 这道题不太懂.


9-25

(1)该电路为双失谐回路斜率鉴频器,谐振频率 f01f02 分别对输入信号频率 f0 左右失谐,从而使得 vo(t)=vAV1vAV2f0 处获得较大的线性鉴频范围.(详见第三版教材 339 页).

(2)该电路可等效为单失谐回路斜率鉴频器,线性鉴频范围较小,因此这里不作为鉴频器. 该电路也可看作串联型峰值包络检波器(详见第三版教材 310 页),此时要求 f01f02 均等于载频频率 fc.


 

 

 

第 10 章 高频功率放大器

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