高頻電路分析講解教程

1、 1.1 概述概述 1.2 諧振回路的選頻特性諧振回路的選頻特性 1.3 變壓器或變壓器或lc分壓式阻抗變換電路分壓式阻抗變換電路 1.4 lc選頻匹配網(wǎng)絡選頻匹配網(wǎng)絡 1.5 章末小結章末小結 第第1章章 lc諧振回路諧振回路返回主目錄第1章 lc寫真1.1 概概 述述 lc諧振回路是高頻電路里最常用的無源網(wǎng)絡， 包括并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種結構類型。 利用lc諧振回路的幅頻特性和相頻特性，不僅可以進行選頻，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)，而且還可以進行信號的頻幅轉換和頻相轉換(例如在斜率鑒頻和相位鑒頻電路里)。另外，用l、 c元

2、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諧振回路雖然結構簡單，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。 1.2 lc諧振回路的選頻特性諧振回路的選頻特性 1.2.1并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路 圖1.21(a)是電感l(wèi)、電容c和外加信號源 組成的并聯(lián)諧振回路。r是電感l(wèi)的損耗電阻，電容的損耗一般可以忽略。 (b)圖是其等效轉換電路，ge0和re0分別稱為回路諧振電導和回路諧振電阻。 根據(jù)電路分析基礎知識， 可以直接給出lc并聯(lián)諧振回路的某些主要參數(shù)及其表達式： si (1) 回路諧振電導 2020200)()(1lwrlwr

3、rrgee (2) 回路總導納 y =)1(0wlwcjge (3) 諧振頻率0= lcflc2110或 (4) 回路兩端諧振電壓u00= lwge001 (5) 回路空載q值q0= 0000/1eegcwlwg (6) 單位諧振曲線。 諧振時，回路呈現(xiàn)純電導，且諧振導納最小（或諧振阻抗最大）?；芈冯妷簎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（）表示。（）曲線稱為單位諧振曲線。 （） 20200/)212(11egflfcuu 由（）定義可知， 它的值總是小于或等于。 由式（）和式（）可得

4、:lwglwlwlwcwgwlwcee000001)()(000000ffffqwwwwq所以 (f)= 20020)(11ffffq定義相對失諧= 00ffff， 當失諧不大時，即與0相差很小時, 000000002)(2)()(fffffffffffffff所以 n(f) = 2020)2(11ffq 根據(jù)式（）可作出單位諧振曲線（）。 該曲線如圖所示。 (7) 通頻帶、選擇性、矩形系數(shù)。 由圖可知，0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0.7表示。在圖上0.721，取2121)2(11)(

5、2020ffqfn可得 1200ffq1)(20020fffq1)(20010fffq將式（）減去式（）， 可得到: 2)(20120fffq 所以 bw 0.7=f2-f1= (1.2.13) 可見， 通頻帶與回路值成反比。 也就是說， 通頻帶與回路值(即選擇性)是互相矛盾的兩個性能指標。 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（）應陡峭下降。所以，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，如圖所示寬度為0.7、高度為的矩形。0

6、0qf 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。 矩形系數(shù)0.1定義為單位諧振曲線（）值下降到時的頻帶范圍0.1與通頻帶0.7之比， 即:7 . 01 . 01 . 0bwbwk 由定義可知，01是一個大于或等于的數(shù)， 其數(shù)值越小， 則對應的幅頻特性越理想。 例 求并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)。 解： 取 101)2(11)(2020ffqfn 利用圖1.2.2，用類似于求通頻帶0.7的方法可求得:002341 . 0110qfffbw95. 911027 . 01 . 01 . 0bwbwk 由上式可知， 一個單諧振回路的矩形系數(shù)是一個定值， 與其回路值

7、和諧振頻率無關，且這個數(shù)值較大，接近， 說明單諧振回路的幅頻特性不大理想。 1.2.2串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 圖是串聯(lián)諧振回路的基本形式， 其中是電感的損耗電阻，l是負載電阻。 下面按照與并聯(lián)回路的對偶關系， 直接給出串聯(lián)回路的主要基本參數(shù)。 回路總阻抗 zrl+r+j )1(wcwl 回路空載值 q0= rlw0 回路有載值 qe= rrlwl0諧振頻率f 0= lc21單位諧振函數(shù)n(f)= 2200011qii通頻帶bw 0.7= 00qf 其中是任意頻率時的回路電流， 00是諧振時的回路電流。 1.2.3串、串、 并聯(lián)諧振回路阻抗特性比較并聯(lián)諧振回路阻抗特性比較 串聯(lián)諧振回路空載時阻

8、抗的幅頻特性和相頻特性表達式分別為： z=r+j 22)1(wcwlrrwcwl1arctan 并聯(lián)諧振回路空載時阻抗的幅頻特性和相頻特性表達式分別為： 220)1(1wlwcgze01arctanegwlwc 圖（）、 （）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，前者在諧振頻率點的阻抗最小，相頻特性曲線斜率為正； 后者在諧振頻率點的阻抗最大，相頻特性曲線斜率為負。所以，串聯(lián)回路在諧振時，通過電流00最大； 并聯(lián)回路在諧振時，兩端電壓u00最大。 在實際選頻應用時，串聯(lián)回路適合與信號源和負載串聯(lián)連接，使有用信號通過回路有效地傳送給負載；并聯(lián)回路適合與信號源和負載并聯(lián)連接

9、，使有用信號在負載上的電壓振幅增大。 串、并聯(lián)回路的導納特性曲線正好相反。 前者在諧振頻率處的導納最大，且相頻特性曲線斜率為負；后者在諧振頻率處的導納最小，且相頻特性曲線斜率為正。讀者可自己寫出相應的幅頻和相頻特性表達式， 畫出相應的曲線。 1.3 變壓器或分壓式阻抗變換電 考慮信號源內(nèi)阻s和負載電阻l后，并聯(lián)諧振回路的電路如圖所示。由式（）可知，回路的空載值q0= lwrlwgee00001而回路有載值q0=lwrlwge0001 其中回路總電導g=gs+gl+ge 0= ， 回路總電阻 r=rsrlre0，s和l分別是信號源內(nèi)電導和負載電導。 r1 可見，e0，且并聯(lián)接入的s和l越小，則e

10、越小，回路選擇性越差。 另外， 由式（）可知，諧振電壓00也將隨著諧振回路總電阻的減小而減小。實際上， 信號源內(nèi)阻和負載不一定是純電阻，可能還包括電抗分量。 如要考慮信號源輸出電容和負載電容，由于它們也是和回路電容并聯(lián)的，所以總電容為三者之和，這樣還將影響回路的諧振頻率。因此， 必須設法盡量消除接入信號源和負載對回路的影響。 采用阻抗變換電路可以改變信號源或負載對于回路的等效阻抗。若使s或l經(jīng)變換后的等效電阻增加，再與e0并聯(lián)， 可使回路總電阻減小不多，從而保證e與0相差不大； 若信號源電容與負載電容經(jīng)變換后大大減小，再與回路電容并聯(lián)， 可使總等效電容增加很少，從而保證諧振頻率基本保持不變。

11、下面介紹幾種常用的阻抗變換電路。 1.3.1自耦變壓器電路自耦變壓器電路 圖132(a)所示為自耦變壓器阻抗變換電路，（）為考慮次級后的初級等效電路，l是l等效到初級的電阻。 在圖中，負載l經(jīng)自耦變壓器耦合接到并聯(lián)諧振回路上。設自耦變壓器損耗很小，可以忽略，則初、次級的功率p1、p2近似相等，且初、次級線圈上的電壓u1和u2之比應等于匝數(shù)之比。設初級線圈與抽頭部分次級線圈匝數(shù)之比1 2 ，則有： lru2121 1=2， u1u2因為 p1= lrup22221所以22211nuurrllrl= lllgngrn221或 對于自耦變壓器，總是小于或等于, 所以, l等效到初級回路后阻值增大，從

12、而對回路的影響將減小。越小, 則l越大，對回路的影響越小。所以，的大小反映了外部接入負載（包括電阻負載與電抗負載）對回路影響大小的程度， 可將其定義為接入系數(shù)。 1.3.2變壓器阻抗變換電路變壓器阻抗變換電路 圖133（）為變壓器阻抗變換電路，（）為考慮次級后的初級等效電路， l是l等效到初級的電阻。若1、 2分別為初、次級電感線圈匝數(shù)，則接入系數(shù)21。 利用與自耦變壓器電路相同的分析方法， 將其作為無損耗的理想變壓器看待，可求得l折合到初級后的等效電阻llllgngrnr221或 1.3.3電容分壓式電路電容分壓式電路 圖134（）是電容分壓式阻抗變換電路，（）是l等效到初級回路后的初級等效

13、電路。 利用串、并聯(lián)等效變換公式，在2r2l(c1+c2)21時， 可以推導出l折合到初級回路后的等效電阻lllrnrcccr2221111 其中是接入系數(shù)， 在這里總是小于。如果把rl折合到回路中1，2兩端，則等效電阻llrccr212 1.3.4電感分壓式電路電感分壓式電路 圖135（）所示為電感分壓式阻抗變換電路， 它與自耦變壓器阻抗變換電路的區(qū)別在于1與2是各自屏蔽的， 沒有互感耦合作用。 （）圖是l等效到初級回路后的初級等效電路，12。 l折合到初級回路后的等效電阻 lllrnrlllr2221211其中是接入系數(shù)， 在這里總是小于。 例 某接收機輸入回路的簡化電路如圖例1.2所示。

14、 已知1=5pf，2=15pf，s=75 ，l=300 。為了使電路匹配，即負載l等效到回路輸入端的電阻ls， 線圈初、次級匝數(shù)比12應該是多少？ 解： 由圖可見， 這是自耦變壓器電路與電容分壓式電路的級聯(lián)。 l等效到兩端的電阻 rl= lllrrcccrn161212122l等效到輸入端的電阻lllrnnrnnrn 2122121161rl= 如要求ls， 則16 rl=rs。 所以221nn125. 01621lsrrnn 在以上介紹的四種常用阻抗變換電路中，所導出的接入系數(shù)均是近似值，但對于實際電路來說，其近似條件容易滿足， 所以可以容許引入的近似誤差。 采用以上四種電路雖然可以在較寬的

15、頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗變換，但嚴格計算表明，各頻率點的變換值有差別。如果要求在較窄的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)理想的阻抗變換，可采用下面介紹的選頻匹配網(wǎng)絡。 1.4 選頻匹配網(wǎng)絡選頻匹配網(wǎng)絡 1.4.1 阻抗電路的串阻抗電路的串并聯(lián)等效轉換并聯(lián)等效轉換 由電阻元件和電抗元件組成的阻抗電路的串聯(lián)形式與并聯(lián)形式可以互相轉換， 而保持其等效阻抗和值不變。 由圖141可寫出： zp=rpjxp= ppppppppxxrrjrxrx222222 zs=rs+jxs 要使ps，必須滿足: rs= 2222ppppxxrr 按類似方法也可以求得: rp= rp= 222sssrxr sssxxr22 將上式代入式(1.4.

16、3)、 (1.4.4)可以得到下述統(tǒng)一的阻抗轉換公式，同時也滿足式(1.4.1)和(1.4.2)。 seprqr)1 (2sepxqx)11 (2 由式(1.4.7)可知， 轉換后電抗元件的性質不變。 當qe1時，則簡化為： rp q2ers (1.4.8) xp xs (1.4.9) 1.4.2選頻匹配原理選頻匹配原理 lc選頻匹配網(wǎng)絡有倒l型、t型、 型等幾種不同組成形式，其中倒l型是基本形式?，F(xiàn)以倒l型為例，說明其選頻匹配原理。 倒l型網(wǎng)絡是由兩個異性電抗元件x1、x2組成，常用的兩種電路如圖 1.4.2(a)、 (b)所示，其中r2是負載電阻，r1是二端網(wǎng)絡在工作頻率處的等效輸入電阻。

17、 對于圖 1.4.2(a)所示電路，將其中x2與r2的串聯(lián)形式等效變換為xp與rp的并聯(lián)形式，如圖1.4.2(c)所示。在x1與xp并聯(lián)諧振時，有x1+xp=0, r1=xp根據(jù)式(1.4.6)，有 r1=(1+q2e)r2 (1.4.10)所以 qe = 由式(1.4.5)可以求得選頻匹配網(wǎng)絡電抗值121rr|x2|=qer2= )(212rrr |x1|=|xp|= 21211rrrrqre 由式(1.4.10)可知，采用這種電路可以在諧振頻率處增大負載電阻的等效值。 對于圖1.4.2(b)所示電路，將其中x2與r2的并聯(lián)形式等效變換為xs與rs的串聯(lián)形式，如圖1.4.2(d)所示。在x1

18、與xs串聯(lián)諧振時，可求得以下關系式：r1=rs= 22)1 (1rqe112rrq121222rrrrqrxe |x1|=|xs|=qer1= )(121rrr 由式(1.4.13)可知， 采用這種電路可以在諧振頻率處減小負載電阻的等效值。 t型網(wǎng)絡和型網(wǎng)絡各由三個電抗元件(其中兩個同性質， 另一個異性質)組成，如圖 1.4.3所示，它們都可以分別看作是兩個倒l型網(wǎng)絡的組合，用類似的方法可以推導出其有關公式。 例 1.3 已知某電阻性負載為10，請設計一個匹配網(wǎng)絡，使該負載在20mhz時轉換為50。 如負載由10電阻和0.2 h電感串聯(lián)組成，又該怎樣設計匹配網(wǎng)絡? 解 由題意可知，匹配網(wǎng)絡應使

19、負載值增大，故采用圖 1.4.2(a)所示倒l型網(wǎng)絡。 由式(1.4.11), (1.4.12)可求得所需電抗值 |x2|= =20 |x1|=50 =25所以 l2=)1050(10105010uhwx16. 0102022062pfxwc318251020211611 由0.16h電感和318pf電容組成的倒l型匹配網(wǎng)絡即為所求，如圖例1.3(a)虛線框內(nèi)所示。 如負載為10電阻和0.2 h電感相串聯(lián)，在相同要求下的設計步驟如下： 因為0.2h電感在20mhz時的電抗值為：xl=l=2201060.210-6=25.1 而 x2-xl=20-25.1=-5.1 所以 c2= 15601 . 5102021162lxxw 由1560pf和318pf兩個電容組成的倒l型匹配網(wǎng)絡即為所求，如圖例1.3(b)虛線