LC谐振回路的选频特性

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L
.r w ww +r+j Z=R
cu f-m
o .c
m
Q0= w0 L r w0 L Qe= RL + r
1 ( wL − ) wc
.r w ww
cu f-m
o .c
m
谐振频率f 0=
1
2π LC I 1 = 单位谐振函数N(f)= 2 2 I 00 1 + Q0 ε
通频带BW 0.7
f0 = Q0
cu f-m o .c m
.r w ww
.r w ww
cu f-m
o .c
m
1.3 变压器或LC分压式阻抗变换电
考虑信号源内阻Rs和负载电阻RL后,并联谐振回路的电 路如图1.3.1所示。由式(1.2.5)可知,回路的空 载Q值 Q0=
m
1 Re 0 cu = -m f r g e 0 w0 L w0 L w.
K 0.1 =
cu 0.1 4 3 f-m .r w BW0.1ww 2 o .c
2
m
BW0.7
= 10 − 1 ≈ 9.95
由上式可知, 一个单谐振回路的矩形系数是一个定值, 与其回路Q值和谐振频率无关,且这个数值较大,接近10, 说明单谐振回路的幅频特性不大理想。
1.2.2串联谐振回路
图1.2.3是串联LC谐振回路的基本形式, 其中r是 电感L的损耗电阻,RL是负载电阻。 下面按照与并联LC回路的对偶关系, 直接给出串联LC 回路的主要基本参数。 回路总阻抗 回路空载Q值 回路有载Q值
rf . w w w m
其中I是任意频率时的回路电 cu 流, I m 的回路电流。
o .c
00
是谐振时
1.2.3串、 并联谐振回路阻抗特性比较
串联谐振回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性表达式 分别为: Z=r+j r 2 + ( wL − 1 )2 wc 1 .c o m wL − cu wc -m f ϕ = arctan r . w r ww 并联谐振回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性表达式分 别为: 1 z= 1 2 2 g e 0 + ( wc − ) wL
co则 初、次级 的功 率P1、P2 近 自耦变压器损耗 很小,可以忽略, . u m
似相等,且初、次级线圈上的电 w. 压U1和U2之比应等于匝数之比。 设初级线圈与抽头 部分 次级线圈匝数之比N 1∶ N2= 1 ∶n , 则有: P1=P2, U1/U2=1/n 因为 P1=′
1 U12 2 RL
o .c m
1.2 LC谐振回路的选频特性
1.2.1并联谐振回路
om c . 容的损耗一般可以忽略。 (b) 振回路。r是电感L的损耗电阻,电 cu -m f r . 分 别称为回路谐振电 导 和回路 图是其等效转换电路, ge0 和 R w e0 ww
图1.21(a)是电感L、电容C和外加信号源 I S 组成的并联谐
第1章
1.1 概述
LC谐振回路
1.2 LC谐振回路的选频特性 m co
.r 1.3 变压器或LC 分压式阻抗变换电路 w w w cu f-m .
1.4 LC选频匹配网络 1.5 章末小结
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第1章 LC写真
1.1 概 述
LC谐振回路是高频电路里最常用的无源网络, 包括并联 回路和串联回路两种结构类型。 利用 LC 谐振回路的幅频特性和相频特性,不仅可以进行 cu -m f r . 选频,即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率 w ww 分量或噪声(例如在选频放大器和正弦波振荡器中),而且还可 以进行信号的频幅转换和频相转换(例如在斜率鉴频和相位鉴 频电路里)。另外,用L、 C元件还可以组成各种形式的阻抗变 换电路和匹配 电路。所 以, LC 谐振回路 虽然 结构简单 , 但 是 在高频电路里却是不可缺少的重要组成部分,在本书所介绍的 各种功能的高频电路单元里几乎都离不开它。
om c . 阻的减小而减小。实际上, 振电压U00也将随着谐振回路总电 cu -m f r . 电 阻 ,可 能 还包括电 抗 分量。 信号源 内阻 和 负载 不一 定 是w 纯 ww
如 要 考虑信号源输出电 容 和 负 载 电 容 , 由 于 它 们 也 是和回路 电 容 C 并联的,所 以总 电 容为 三者 之 和, 这 样 还 将 影响 回路 的谐振频率。因此, 必须设法尽量消除接入信号源和负载对 回路的影响。
初级回路后阻值增大,从而对回路的影响将减小。n越小, 则 R′L越大, 对回路的影响越小。所以,n的大小反映了外部 接入负载(包括电阻负载与电抗负载)对回路影响大小的程度, 可将其定义为接入系数。
1.3.2变压器阻抗变换电路
图1.3.3(a)为变压器阻抗变换电路,(b)为考虑 次级后的初级等效电路, R′L是RL等效到初级的电阻。若 N1、 N2分别为初、次级电感线圈匝数,则接入系数n=N2 /N1。
由定义可知,K01是一个大于或等于1的数, 其数值越小, 则对应的幅频特性越理想。 例1.1 求并联谐振回路的矩形系数。
.r w ww
cu f-m
o .c
m
解: 取
N( f ) =
1 2 ∆f 2 1+ Q ( ) f0
2 0
=
1 10
利用图1.2.2,用类似于求通频带BW0.7的方法可求得:
f0 BW = f − f = 10 − 1 Q0
.r w ww
cu f-m
o .c
m
为了衡量实际幅频特性曲线接近理想幅频特性曲线的程度, 提出了“矩形系数”这个性能指标。 矩 形 系 数 K 0 . 1 定义 为单 位谐振 曲线N(f)值下 降到 0.1时的频带范围BW0.1与通频带BW0.7之比, 即:
BW0.1 K 0.1 = BW0.7
w .r 同的分析方法, 将其作为无损 利用与自耦变压器电路相 w w cu f-m o .c m
耗的理想变压器看待,可求得RL折合到初级后的等效电阻
1 2 ′ = 2 RL或g ′ RL = n gL L n
.r w ww
cu f-m
o .c
m
1.3.3电容分压式电路
ww
o .c
而回路有载Q值
1 Re 0 Q0= g w L = w L 0 ∑ 0
.r w ww
cu f-m
o .c
m
1 其 中 回 路 总 电 导 gΣ=gs+gL+ge0= R∑
, 回路总电阻
RΣ=Rs‖RL‖Re0, g s 和 g L分 别 是信号源 内 电 导 和 负 载 电 导。 可见,Qe< Q 0 ,且并联 接 入的Rs 和RL越 小 , 则Q e越 小,回路选择性越差。 另外, 由式(1.2.4)可知,谐
1 wc − wL ϕ = − arctan ge0
图1.2.4 ( a) 、 (b )分 别是串联谐振回路与 并 联谐振回路空载时的阻抗特性曲线。 m 由图可见,前者在谐振频 o .c u c斜率 为正; 后者在谐振频率 率点的阻抗最小,相频特性曲线 -m
rf . w w 点的阻抗最大,相频特性曲线 w 斜率为负。所以,串联回路在谐
2( f1 − f 0 ) Q0 = −1 f0
将式(1.2.11)减去式(1.2.12), 可得到:
2( f 2 − f1 ) =2 Q0 f0
所以 BW 0.7
f0 =f2-f1= Q0
(1.2.13)
可见, 通频带与回路Q值成反比。 也就是说, 通频带与 回路Q值(即选择性)是互相矛盾的两个性能指标。 选择性是指
振时,通过电流I00最大; 并联回路在谐振时,两端电压U 00最大。 在实际选频应用 时,串联回路适合 与信号源和负载 串联连接,使有用信号通过回路有效地传送给负载;并联回路 适合与信号源和负载并联连接,使有用信号在负载上的电压振 幅增大。
串、并联回路的 导纳特性曲线正好相反。 前者 在谐振频 率处的导纳最大,且相频特性曲线斜率为负;后者在谐振频率 处的导纳最小,且相频特性曲线斜率为正。读者可自己写出相 应的幅频和相频特性表达式, 画出相应的曲线。
2 1 U2 P2 = 2 RL
c m rf
ww
.r w ww
cu f-m
o .c
m
所以
′ U1 1 RL = = RL U 2 n
1 2 ′ R 或 g = n gL L L 2 n
cu f-m ww o .c m
2
2
R′L=
r 对于自耦变压器,n总是 w. 小于或等于1, 所以, RL等效到
性越好。 为了衡量回路 对于不同 频率信号的通过能力,定义 1 单位谐振曲线上N(f)≥ 2 所包含的频率范围为回路的通 频带, 用BW0.7表示。在图上BW0.7=f2-f1,取
N( f ) =
1
2 1 + Q0 (
2∆f 2 ) f0
1 = 2
可得
2∆f Q0 = ±1 f0
om 2( f 2 − f 0 ) c Q0 = 1 mcu. f0 rf. w ww

谐振电阻。
根据电路分析基础知识, 可以直接给出LC并联谐振回路 的某些主要参数及其表达式:
.r wBiblioteka Baiduww
cu f-m
o .c
m
(1) 回路谐振电导
1 r r ge0 = = 2 ≈ 2 Re 0 r + ( w0 L) ( w0 L)2 1 ) (2) 回路总导纳 Y = g e 0 + j ( wc − wL 1 om1 c (3) 谐振频率ω0= 或f 0 =cu. -m 2π LC LC f r .
(4) 回路两端谐振电压U00= (5) 回路空载Q值Q0=
w w w
1 = w0c / g e 0 g e 0 w0 L
1 g e 0 w0 L
(6) 单位谐振曲线。 谐振 时 ,回路 呈现纯 电 导 ,且谐振 导纳最 小( 或谐振 阻抗 最大 ) 。回路电压 U 与外 加 信号源频率 之间 的幅频特性曲线称 为 谐振 曲线 。谐振 时,回路电 压 U00 最大。 任意 频率下 的回路 电压U与谐振时回路电压U00之比称为单 位谐振函数,用N(f) om
1 u c m rf f f 2 . 2 w 1+ Q ( − ) ww0 f f0 0 f f 定义相对失谐ε= f − f , 当失谐不大时,即f与f0相差 0 0 很小时, ε= f − f = ( f + f 0 ) ( f − f 0 ) ≈ 2( f − f 0 ) = 2∆f f0 f0 f0 f f0 f0
.c u c 曲线。 表示。N(f)曲线称为单位谐振 m rf . w w w
N(f)=
U = U 00
1
1 2 2 1 + ( 2πfc − ) / ge0 2πfL
由N(f)定义可知, 它的值总是小于或等于1。 由式(1.2.3)和式(1.2.5)可得:
w0 L 1 wcw0 L − wc − wL wL = ge0 g e 0 w0 L w w0 f f0 = Q0 ( − ) = Q0 ( − ) w0 w f0 f
om c . 谐振回路对不需要信号的抑制能 cu力, 即 要求 在通频带之外, -m f r w. 。所以,Q值越高,谐振曲线越 谐振曲线N(f)应陡峭下w 降 w
陡峭, 选择性 越好,但 通 频带 却 越窄。一个理想的谐振回路, 其幅频特性曲线应该是通频带内完全平坦,信号可以无衰减通 过,而在通频带以外则为零,信号完全通不过,如图 1.2.2所示宽度为BW0.7、高度为1的矩形。
所以
N(f)=
o .c
m
所以 N(f) =
1
2 1 + Q0 (
2 ∆f 2 ) f0
根据式(1.2.10)可作出单位谐振曲线N(f)。 该曲线如图1.2.2所示。
cu数。 (7) 通频带、选择性、矩形-系 m o .c m rf . w w w Q 0 越 大,谐振曲线 越尖锐 ,选择 由图 1.2.2可 知 ,
采 用阻抗变换电路可以改变信号源或负载 对于回路的等效 阻抗。若使Rs 或R L经变 换后 的 等效电阻增 加 ,再 与 R e0 并联, 可使回路总电阻R Σ 减小 不 多 ,从而保证Q e与 Q0 相差 不大 ; 若信号源电容与负载电容经变换后大大减小,再与回路电容C
om 并联, 可使总等效电容增加很少,从而 保证谐振频率基本保持 c .
不变。
.r w ww
cu f-m
下面介绍几种常用的阻抗变换电路。
1.3.1自耦变压器电路
图1.3.2(a)所示为 自耦变压 器 阻抗变换电路,( b )为 考 虑次级后 的 初级 等效 电路, R ′ L是 R L等效 到 初级 的电 阻 。 在图中,负载R L经自耦 变压 器 耦合接到 并联谐振回路上。 设
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