高频电子线路02选频网络.ppt
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主要内容主要内容u2.1串联谐振回路(串联谐振回路(的选频特性)的选频特性)u2.2并联谐振回路并联谐振回路u2.3阻抗变换阻抗变换u2.4耦合回路耦合回路u2.5集中选频滤波器集中选频滤波器作用作用u选择有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声选择有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声应用领域应用领域u小信号放大器、功率放大器、正弦波振荡器小信号放大器、功率放大器、正弦波振荡器u鉴频器、阻抗变换电路鉴频器、阻抗变换电路第第22章章选频网络选频网络选频网络分类选频网络分类u振荡回路(谐振回路):
由振荡回路(谐振回路):
由L、C元件构成元件构成单振荡回路、耦合振荡回路单振荡回路、耦合振荡回路u滤波器:
滤波器:
LC滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器波滤波器第第2章章选频网络选频网络引引言言-待解决的问题待解决的问题什么是谐振电路?
什么是谐振电路?
谐振电路的特点?
谐振电路的特点?
描述谐振回路的基本参数?
描述谐振回路的基本参数?
时谐电路中时谐电路中L、C的特性?
的特性?
谐振电路中的能量传输问题谐振电路中的能量传输问题什么是什么是Q值?
值?
预备知识预备知识高频电路中的电阻高频电路中的电阻电阻的高频等效电路电阻的高频等效电路u一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,但在高频使用时,还表现有电抗特性阻特性,但在高频使用时,还表现有电抗特性的一面。
的一面。
u电阻器的高频特性与制作电阻的电阻器的高频特性与制作电阻的材料材料、电阻、电阻的的封装形式封装形式和和尺寸大小尺寸大小有密切关系。
有密切关系。
u一个电阻一个电阻R的高频等效电路如图所示的高频等效电路如图所示,其中其中,CR为分布电容为分布电容,LR为引线电感为引线电感,R为电阻。
为电阻。
预备知识预备知识预备知识预备知识(a)(a)电容器的等效电路电容器的等效电路;(bb)电容器的阻抗特性电容器的阻抗特性电容器的高频等效电路电容器的高频等效电路l电容定义电容定义:
由介质隔开的两导体即构成电容。
由介质隔开的两导体即构成电容。
l每个电容器都有一个自身谐振频率。
当工作频率小每个电容器都有一个自身谐振频率。
当工作频率小于自身谐振频率时,电容器呈正常的电容特性,但于自身谐振频率时,电容器呈正常的电容特性,但当工作频率大于自身谐振频率时,电容器将等效为当工作频率大于自身谐振频率时,电容器将等效为一个电感。
一个电感。
高频电路中的电容高频电路中的电容预备知识预备知识l高频电感器一般由导线绕制(空心或有磁芯、单层或多层)高频电感器一般由导线绕制(空心或有磁芯、单层或多层)而成(也称电感线圈)。
而成(也称电感线圈)。
lRFCs(RFcoils)高频扼流线圈)高频扼流线圈l在中短波波段和米波波段,在中短波波段和米波波段,高频电感可等效为电感和电阻的高频电感可等效为电感和电阻的串联串联。
若工作频率更高,等效电路应考虑电感两端总的分布。
若工作频率更高,等效电路应考虑电感两端总的分布电容,它应与电感并联。
电容,它应与电感并联。
l高频电感器也具有自身谐振频率,在自谐振频率上,高频电高频电感器也具有自身谐振频率,在自谐振频率上,高频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零。
如图所示。
感的阻抗的幅值最大,而相角为零。
如图所示。
预备知识预备知识高频电路中的电感高频电路中的电感图图中中RR是是电电感感的的损损耗耗电电阻阻。
电电容容的的电电阻阻较较小小忽忽略略,直直接接给给出出串串联联回回路的主要基本参数。
路的主要基本参数。
2.1LC串联谐振回路串联谐振回路谐振条件:
谐振条件:
2.1.1基本原理基本原理谐振频率谐振频率回路总阻抗:
回路总阻抗:
空载幅频和相频特性:
空载幅频和相频特性:
谐振条件:
谐振条件:
回路空载值回路空载值:
值值(品质因数)的定义的定义:
即在一个周期内,电路储存的电磁能量与损耗能量的比值的即在一个周期内,电路储存的电磁能量与损耗能量的比值的22倍倍。
在谐振状态下:
在谐振状态下:
WsWs不随时间变化,即谐振电路不与外界交换无功功不随时间变化,即谐振电路不与外界交换无功功率,就是在谐振状态下稳定的储存在电路中的电磁能,这些能量是在率,就是在谐振状态下稳定的储存在电路中的电磁能,这些能量是在谐振电路开始接通时经历的暂态过程中由外电路输入给它的。
达到稳谐振电路开始接通时经历的暂态过程中由外电路输入给它的。
达到稳定的振荡以后,为了维持振荡,外电路需要不断的输入有功功率,以定的振荡以后,为了维持振荡,外电路需要不断的输入有功功率,以补偿补偿RR的损失,但在谐振状态下,无需供给无功功率,由此可见,的损失,但在谐振状态下,无需供给无功功率,由此可见,QQ值反映了一个谐振电路储能的效率值反映了一个谐振电路储能的效率。
串联电路谐振时串联电路谐振时阻抗最小,等于阻抗最小,等于RR;电流最大且与电源同相;电流最大且与电源同相;电感及电容两端电压模相等,且等于外加电压的电感及电容两端电压模相等,且等于外加电压的QQ倍;倍;且电感电压与电源同相;电容电压与电源反向且电感电压与电源同相;电容电压与电源反向2.1.2串联谐振回路串联谐振回路特性特性,阻抗最小,纯电阻;,阻抗最小,纯电阻;,呈感性;,呈感性;,呈容性,呈容性归一化谐振函数:
归一化谐振函数:
其中,其中,是任意频率时的回路电流,是任意频率时的回路电流,0是谐振电流。
是谐振电流。
称为广义失谐称为广义失谐通频带:
通频带:
用半功率频带宽度定义用半功率频带宽度定义Q值与频率带宽的关系值与频率带宽的关系对固定频率的谐振电路,回路对固定频率的谐振电路,回路Q值越高,通频带越值越高,通频带越窄,二者矛盾窄,二者矛盾。
(Q值越大,谐振电路的选择性越好值越大,谐振电路的选择性越好)由由Q值的定义推导值的定义推导LC串联谐振电路串联谐振电路Q值表达式。
值表达式。
思考题与习题思考题与习题20、21?
2.1.3相频特性相频特性由于由于人耳听觉对于相位特性引起的信号失真不敏感,所人耳听觉对于相位特性引起的信号失真不敏感,所以早期的无线电通信在传递声音信号时,对于相频特性并不以早期的无线电通信在传递声音信号时,对于相频特性并不重视。
重视。
但是但是,近代无线电技术中,普遍遇到数字信号与图像信,近代无线电技术中,普遍遇到数字信号与图像信号的传输问题,在这种情况下,相位特性失真要严重影响通号的传输问题,在这种情况下,相位特性失真要严重影响通信质量。
信质量。
由图可见,由图可见,Q值愈大,相频特性曲线在谐振频率值愈大,相频特性曲线在谐振频率0附近附近的变化愈陡峭。
的变化愈陡峭。
但是,线性度变差,或者说,线性范围但是,线性度变差,或者说,线性范围变窄。
变窄。
考虑考虑信号源内阻信号源内阻RRSS和负载电阻和负载电阻RRLL后,后,回路回路QQ值将下降,称其为等效品质因数值将下降,称其为等效品质因数QQLL。
为了为了区别起见,把没有考虑信号源内阻和负载电阻时回路区别起见,把没有考虑信号源内阻和负载电阻时回路本身的本身的QQ值叫做值叫做无载无载QQ值值(或空载或空载QQ值值),用,用QQ00表示;而把考虑信表示;而把考虑信号源内阻和负载电阻时的号源内阻和负载电阻时的QQ值叫做值叫做有载有载QQ值值,用,用QQLL表示。
表示。
可见,信号源内阻越大选择性越差,所以串联可见,信号源内阻越大选择性越差,所以串联LCLC谐振电谐振电路更适合含低内阻电源电路;串联路更适合含低内阻电源电路;串联谐振回路的谐振回路的选择性虽变选择性虽变坏坏,但通但通频带加宽。
频带加宽。
电源电源内阻与负载电阻的影响内阻与负载电阻的影响串联单振荡回路由电感线圈(包括其损耗电阻)和电容串联单振荡回路由电感线圈(包括其损耗电阻)和电容器构成,器构成,电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量,消耗电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量,消耗能量的只有损耗电阻。
能量的只有损耗电阻。
1.1.能量关系能量关系能量关系能量关系思考题与习题思考题与习题20.21电容和电感的瞬时功率电容和电感的瞬时功率电容和电感的瞬时储能电容和电感的瞬时储能(设起始储能为零设起始储能为零)电容和电感的伏安特性方程电容和电感的伏安特性方程思考题与习题思考题与习题20.21设设谐振时谐振时回路中电流回路中电流电容上电压电容上电压电容的瞬时储能电容的瞬时储能电感的瞬时储能电感的瞬时储能思考题与习题思考题与习题20.21回路的品质因数回路的品质因数所以回路所以回路总的瞬时储能总的瞬时储能思考题与习题思考题与习题20.21串联串联串联串联谐振回路中的能量关系谐振回路中的能量关系谐振回路中的能量关系谐振回路中的能量关系思考题与习题思考题与习题20.21就能量关系而言,就能量关系而言,所谓所谓“谐振谐振”,是指:
回路,是指:
回路中储存的能量是不变的,只是在电感与电容之间相互中储存的能量是不变的,只是在电感与电容之间相互转换;外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量,以转换;外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量,以维持回路的等幅振荡,而且谐振回路中电流最大。
维持回路的等幅振荡,而且谐振回路中电流最大。
思考题与习题思考题与习题20.21串联谐振回路中的能量关系串联谐振回路中的能量关系电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬时能电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬时能量的最大值相等。
量的最大值相等。
能量能量W是一个不随着时间变化的常数,这说明整个回路是一个不随着时间变化的常数,这说明整个回路中储存的能量保持不变,只是在线圈和电容器之间相互中储存的能量保持不变,只是在线圈和电容器之间相互转换,电抗元件不消耗外加电源的能量。
转换,电抗元件不消耗外加电源的能量。
外加电源只是提供回路电阻所消耗的能量,以维持回路外加电源只是提供回路电阻所消耗的能量,以维持回路的等幅振荡,谐振时振荡器回路中的电流最大。
的等幅振荡,谐振时振荡器回路中的电流最大。
2.2并联并联LC谐振回路谐振回路串、串、并联阻抗转换并联阻抗转换要使要使ppss,必须满足必须满足:
按类似方法也可以求得按类似方法也可以求得:
由由QQ值的定义可知:
值的定义可知:
得阻抗转换公式得阻抗转换公式当当QQee11时,则简化为:
时,则简化为:
图图(aa)是是电电感感LL、电电容容CC和和外外加加信信号号源源IIss组组成成的的并并联联谐谐振振回回路路。
RR是是电电感感LL的的损损耗耗电电阻阻,电电容容的的损损耗耗一一般般可可以以忽忽略略。
由由前前述述串串、并并联联阻阻抗抗转转换换关关系系可可以以得到(得到(bb)图。
图。
ggpp和和RRpp分别称为回路谐振电导和回路谐振电阻分别称为回路谐振电导和回路谐振电阻。
.LC并联谐振回路并联谐振回路2.2.12.2.1LCLC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性:
回路谐振电导回路谐振电导:
回路总导纳:
回路总导纳:
谐振频率:
谐振频率:
回路空载回路空载Q值:
值:
归一化谐振曲线归一化谐振曲线半功率带宽半功率带宽1)p时,时,Bp时,时,B0呈容性。
呈容性。
阻抗阻抗性质随频率变化的规律:
性质随频率变化的规律:
BwO电纳电纳wCB=wC1wL1Lw感性感性容性容性wP并联谐振特性并联谐振特性wOpw回路阻抗值最大,即回路阻抗值最大,即总电流最小几乎等于零;总电流最小几乎等于零;当当信号源为电流源时,回路电压最大信号源为电流源时,回路电压最大,即,即电感及电容两端电流方向相反,模几乎相等,且等电感及电容两端电流方向相反,模几乎相等,且等于外加电流的于外加电流的Qp倍倍并联谐振时,并联谐振时,信号源内阻和负载电阻的影响信号源内阻和负载电阻的影响阻阻抗抗变变换换电电路路是是一一种种负负载载阻阻抗抗匹匹配配电电路路。
阻阻抗抗变变换换电电路路对对于于提提高高整整个个电电路路的的性性能能具具有有重重要要作作用用。
考考虑虑信信号号源源内内阻阻s和和负
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