LC諧振回路是高頻電路里最常用的無源網(wǎng)絡(luò), 包括并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種結(jié)構(gòu)類型。?
利用LC諧振回路的幅頻特性和相頻特性,不僅可以進(jìn)行選頻,即從輸入信號中選擇出有用頻率分量而抑制掉無用頻率分量或噪聲(例如在選頻放大器和正弦波振蕩器中),而且還可以進(jìn)行信號的頻幅轉(zhuǎn)換和頻相轉(zhuǎn)換(例如在斜率鑒頻和相位鑒頻電路里)。另外,用L、 C元件還可以組成各種形式的阻抗變換電路和匹配電路。所以,LC諧振回路雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是在高頻電路里卻是不可缺少的重要組成部分,在本書所介紹的各種功能的高頻電路單元里幾乎都離不開它。
LC并聯(lián)諧振回路:
圖1.21(a)是電感L、電容C和外加信號源Is組成的并聯(lián)諧振回路。r是電感L的損耗電阻,電容的損耗一般可以忽略。 (b)圖是其等效轉(zhuǎn)換電路,ge0和Re0分別稱為回路諧振電導(dǎo)和回路諧振電阻。?
根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識, 可以直接給出LC并聯(lián)諧振回路的某些主要參數(shù)及其表達(dá)式:
(1) 回路諧振電導(dǎo)
(2) 回路總導(dǎo)納
(3) 諧振頻率
(4) 回路兩端諧振電壓
(5) 回路空載Q值
(6) 單位諧振曲線
諧振時,回路呈現(xiàn)純電導(dǎo),且諧振導(dǎo)納最小(或諧振阻抗最大)。回路電壓U與外加信號源頻率之間的幅頻特性曲線稱為諧振曲線。諧振時,回路電壓U00最大。任意頻率下的回路電壓U與諧振時回路電壓U00之比稱為單位諧振函數(shù),用N(f)表示。N(f)曲線稱為單位諧振曲線。
由N(f)定義可知, 它的值總是小于或等于1。?
由式(1.2.3)和式(1.2.5)可得:
定義相對失諧
當(dāng)失諧不大時,即f與f0相差很小時
所以
根據(jù)式(1.2.10)可作出單位諧振曲線N(f)。 該曲線如圖1.2.2所示。
(7) 通頻帶、選擇性、矩形系數(shù)。
由圖1.2.2可知,Q0越大,諧振曲線越尖銳,選擇性越好。 為了衡量回路對于不同頻率信號的通過能力,定義單位諧振曲線上
所包含的頻率范圍為回路的通頻帶, 用BW0.7表示。在圖上BW0.7=f2-f1,取?
將式(1.2.11)減去式(1.2.12), 可得到:
所以
可見, 通頻帶與回路Q值成反比。 也就是說, 通頻帶與回路Q值(即選擇性)是互相矛盾的兩個性能指標(biāo)。 選擇性是指諧振回路對不需要信號的抑制能力, 即要求在通頻帶之外, 諧振曲線N(f)應(yīng)陡峭下降。所以,Q值越高,諧振曲線越陡峭, 選擇性越好,但通頻帶卻越窄。一個理想的諧振回路, 其幅頻特性曲線應(yīng)該是通頻帶內(nèi)完全平坦,信號可以無衰減通過,而在通頻帶以外則為零,信號完全通不過,如圖1.2.2所示寬度為BW0.7、高度為1的矩形。
為了衡量實際幅頻特性曲線接近理想幅頻特性曲線的程度,提出了“矩形系數(shù)”這個性能指標(biāo)。 ?
矩形系數(shù)K0.1定義為單位諧振曲線N(f)值下降到0.1時的頻帶范圍BW0.1與通頻帶BW0.7之比, 即:
由定義可知,K01是一個大于或等于1的數(shù), 其數(shù)值越小, 則對應(yīng)的幅頻特性越理想。
LC串聯(lián)諧振回路:
圖1.2.3是串聯(lián)LC諧振回路的基本形式, 其中r是電感L的損耗電阻,RL是負(fù)載電阻。
下面按照與并聯(lián)LC回路的對偶關(guān)系, 直接給出串聯(lián)LC回路的主要基本參數(shù)。
諧振頻率
單位諧振函數(shù)
其中I是任意頻率時的回路電流, I??00?是諧振時的回路電流。
串、 并聯(lián)諧振回路阻抗特性比較:
串聯(lián)諧振回路空載時阻抗的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式分別為:
并聯(lián)諧振回路空載時阻抗的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式分別為:
圖1.2.4(a)、 (b)分別是串聯(lián)諧振回路與并聯(lián)諧振回路空載時的阻抗特性曲線。由圖可見,前者在諧振頻率點(diǎn)的阻抗最小,相頻特性曲線斜率為正; 后者在諧振頻率點(diǎn)的阻抗最大,相頻特性曲線斜率為負(fù)。所以,串聯(lián)回路在諧振時,通過電流I00最大; 并聯(lián)回路在諧振時,兩端電壓U?00最大。 在實際選頻應(yīng)用時,串聯(lián)回路適合與信號源和負(fù)載串聯(lián)連接,使有用信號通過回路有效地傳送給負(fù)載;并聯(lián)回路適合與信號源和負(fù)載并聯(lián)連接,使有用信號在負(fù)載上的電壓振幅增大。
串、并聯(lián)回路的導(dǎo)納特性曲線正好相反。 前者在諧振頻率處的導(dǎo)納最大,且相頻特性曲線斜率為負(fù);后者在諧振頻率處的導(dǎo)納最小,且相頻特性曲線斜率為正。讀者可自己寫出相應(yīng)的幅頻和相頻特性表達(dá)式, 畫出相應(yīng)的曲線。
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