清华考研电路原理课件第12章电路的频率特性.docx
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清华考研电路原理课件第12章电路的频率特性
清华大学电路原理电子课件
江辑光版
参考教材:
《电路原理》(第2版)清华大学出版社,2007年3月江辑光刘秀成
《电路原理》清华大学出版社,2007年3月于歆杰朱桂萍陆文娟
《电路》(第5版)高等教育出版社,2006年5月邱关源罗先觉
第12章
电路的频率特性
本章重点
12.11串联电路的谐振
12.22并联电路的谐振
12.33串并联电路的谐振
12.44复频率和相量法的推广
12.55网络函数
12.6滤波器的概念
12.7无源滤波器
12.8有源滤波器
本章重点
�本章重点
∙电路发生谐振的条件
∙谐振电路的特点
∙谐振频率的计算
∙相量法的拓广
∙网络函数
∙频率特性
∙滤波器的概念
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12.1串联电路的谐振
谐振(resonance)是正弦交流电路在特定条件下所产生
的一种特殊物理现象。
谐振的定义:
+
U̇
-
İ
含LC
网络
在正弦交流稳态下,当含LC的一端口网络输入端的
电压、电流同相时,则称该网络处于谐振状态(resonance
state)。
一、谐振频率
IR
⎤C
+
j⎤L1
1
_
jωC1
⎤L<
⎤C
ω0=
1
LC
根据谐振的定义ωL−1=0即ωL=1
⎤C⎤C
f0=
1
2πLC
谐振频率(resonantfrequency)
当⎤L>
感性
当
即
容性
串联谐振(SeriesResonance)
̇
谐振角频率(resonantangularfrequency)
二、使RLC串联电路发生谐振的条件
1.L,C不变,改变电源频率f(角频率⎤)
2.电源频率f(角频率⎤)不变,改变L或C(常改变C)
三、RLC串联电路谐振时的特点
1.U̇与İ同相。
2.入端阻抗Z为纯电阻,即Z=R。
电路中阻抗值|Z|最小。
|Z|
R
0
⎤0
⎤
3.电流I达到最大值I0=U/R(U一定)。
4.电压U̇R=U̇,U̇L+U̇C=0
当⎤0L=1/(⎤0C)>>R时,UL=UC>>U
+
U̇
_
İ
R
UL
_
_
j⎤L
1
jωC
串联谐振又称电压谐振。
U̇L
U̇R=U̇
İ
U̇C
谐振时电压、
电流的相量图
+U̇R_+̇
̇+
5.功率
负载吸收
P=RI02=U2/R
QL=ω0LI
2
0
QC=−
1
ω0C
I02
Q=QL+QC=0
电源发出
P=UIcosϕ=RI0
Q=UIsinϕ=0
2
+
u_
L
Q
P
C
R
6.能量
设
u=Umsin⎤0t
则
i=
Um
R
sin⎤0t=Imsin⎤0t
uC=
Im
⎤0C
C
22
22
电场能量
磁场能量
WLm=WCm
22
即:
能量交换只在L,C之间进行,与电源间无能量交换。
sin(⎤0t−90︒)=−LImcos⎤0t=UCmsin(⎤0t−90︒)
wL
i
wC
uC
w总
四、特性阻抗和品质因数
1.特性阻抗(characteristicimpedance)
〉=⎤0L=
1
⎤0C
=
L
C
单位:
Ω
仅由电路参数决定。
2.品质因数(qualityfactor)Q
Q=
〉
R
=
ω0L
R
=
1
ω0RC
=
1L
RC
无量纲
同样仅由电路的参数决定。
Q=
ω0L
R
=
ω0LI0
RI0
=
UL0
U
=
UC0
U
利用:
例某收音机C=150pF,L=250mH,R=20Ω
〉=
L=1290Ω
C
Q=
〉
R
=65
若信号电压10mV,则电感上电压为650mV。
避免:
电力系统中,由于系统电源电压比较高,一
旦发生谐振,会因过电压而损坏设备绝缘。
五、RLC串联谐振电路的谐振曲线和选择性
1.阻抗的频率特性(frequencycharacteristic)
Z=R+j(ωL−1)=|Z(ω)|∠φ(ω)
ωC
⎤C
⎤L−1幅频特性
−1
RRR
|Z(⎤)|
|Z(⎤)|
XL(⎤)
ϕ(⎤)
相频特性
R
X(⎤)
ð/2
0
⎤0
XC(⎤)
⎤
0
⎤0
⎤
–ð/2
|Z(ω)|=R2+(⎤L−1)2=R2+(XL+XC)2=R2+X2
2.电流谐振曲线
谐振曲线:
电压、电流与频率的关系。
幅值关系:
I(⎤)
U/R1
U/R2
0
I(ω)=
⎤0
U
R2+(⎤L−1)2
⎤C
⎤
3.选择性与通用谐振曲线
(a)选择性(selectivity)
若RLC串联电路中,有不同频率的电压源同时作用时,则
接近谐振频率⎤0的电流将可能大于其它偏离谐振频率的电流
而被选择出来,这种性能在无线电技术中称为“选择性”。
I(⎤)
0
⎤0
⎤
例
+
u1
_
+
u2
_
+
u3
_
R
电台1
L
C
一接收器的电路参数为:
L=250∝H,R=20Ω,C=150pF
(已调好),U1=U2=U3=10∝V,
⎤0=5.5⋅106rad/s,f0=820kHz。
电台2
电台3
f(kHz)
⎤L(Ω)
1
ωC
X(Ω)
I=U/|Z|(∝A)
820
1290
1290
0
I0=0.5
640
1000
1660
–660
I1=0.015
1026
1612
1034
577
I2=0.017
(Ω)
I(f)
I0
I2
I1
I1
I0
I2
I0
=3.0%
=3.4%
0
640820
1200f/kHz
选择性的好坏与谐振曲线的形状有关,形状愈尖选择性愈好。
若LC不变,R大,曲线平坦,选择性差。
(b)通用谐振曲线
ω→
ω=η,I(ω)→I(ω)
ω0I(ω0)
I(ω)
I(ω0)
=
U/|Z|
U/R
=
2
R
12
)
⎤C
=
1+(
1
⎤L
−
R
1
⎤RC
)2
=
1
=
1
1+(
Rω0
⋅
−
⋅)
ω0RCω
1+(Q⋅
ω
ω0
−Q⋅
ω
)
令ç=⎤/⎤0,可得
I(η)
I0
=
1
1+Q(η−)
η
1ω02
212
I(η)
I0
1
Q=0.5
Q=1
Q=10
0
1
ç
串联谐振电路的通用谐振曲线
4.UL(⎤)与UC(⎤)的频率特性
UL(ω)=⎤LI=⎤L⋅
U
|Z|
=
⎤LU
R2+(⎤L−1)2
⎤C
=
1
η2
QU
η
⎤C
U
⎤CR2+(⎤L−1)2
⎤C
=
QU
η2+Q2(η2−1)2
+Q2(1−12)2
当⎤=⎤Cm时,UC(⎤)获最大值;
当⎤=⎤Lm时,UL(⎤)获最大值。
且UC(⎤Cm)=UL(⎤Lm)。
(条件是Q>1/2)
U(ç)
UC(çCm)
QU
UL(ç)
U
UC(ç)
0
çCm1çLm
ç
可以证明
ωCm
=ω01−
1
2Q
2
<ω0
⎤Lm·⎤Cm=⎤02
ωLm=ω0
2Q2
2
>ω0
UC(ωCm)=UL(ωLm)=
QU
1
1−
4Q2
>QU
Q越大,⎤Lm和⎤Cm越靠近⎤0。
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2Q−1
12.2
并联电路的谐振
一、简单G、C、L并联电路
İS
+
U̇
G
C
L
并联谐振
(ParallelResonance)
_
对偶:
RLC串联
Z=R+j(⎤L−1)
⎤C
GCL并联
Y=G+j(⎤C−1)
⎤L
ω0=
1
LC
ω0=
1
LC
|Z|
R
RLC串联
|Y|
G
GCL并联
0
⎤0
⎤
0
⎤0
⎤
I(⎤)
U/R
U(⎤)
IS/G
0
⎤0
⎤
0
⎤0
⎤
U̇L
U̇C
U̇R=U̇
İ
İC
İL
İG=İS
U̇
RLC串联
电压谐振
UL(⎤0)=UC(⎤0)=QU
GCL并联
电流谐振
IL(⎤0)=IC(⎤0)=QIS
Q=
ω0L
R
=
1
ω0RC
L
RC
Q=
ω0C
G
=
1
ω0GL
=1
G
C
L
Q推导过程如下:
由定义得
Q=2π
1
2
2
=2πf0
C=ω0C
GG
=1
二、电感线圈与电容并联
+
U̇
-
İ
R
j⎤L
İL
İC
1
j⎤C
İC
İ
İL
谐振时的电压、电流相量图
Y=j⎤C+
1
R+j⎤L
=
2
R
2
+j(⎤C−
2
⎤L
2
)
=G+jB
谐振时B=0,即
⎤C−
2
⎤L
2
=0
求得
ω0=
1−(R)2
LCL
由电路参数决定。
当
1
LC
R2
L
L
C
时,改变频率可能发生谐振。
当R>
L
C
时,不可能发生谐振。
当电路发生谐振时,电路的入端阻抗为
Z(ω0)=
R2+(ω0L)2
R
=L
RC
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>(),即R<
12.3
串并联电路的谐振
由纯电感和电容所构成的串并联电路
L3
C3
L1
(a)
C2
L1
(b)
C2
定性分析
电路既可以发生串联谐振(Z=0),又可以发生并联谐
振(Z=∞)。
有两个谐振点。
定量分析:
图(a)电路:
Z(ω)=j⎤L3+
1
j⎤L1()
j⎤C2
1
j⎤L1+
j⎤C2
⎛⎞
⎝
⎟
=j
ω3L1L3C2−ω(L1+L3)
ω2L1C2−1
当Z(⎤)=∞,即分母为零
ω12L1C2−1=0
ω1=
1
L1C2
(并联谐振)
⎜⎤L3−2
=j⎜
当Z(⎤)=0,即分子为零
ω23L1L3C2−ω2(L1+L3)=0
可求得
ω2=
L1+L3
L1L3C2
(串联谐振)
(⎤1<⎤2)
图(b)电路:
Z(ω1)=
1
j⎤C
+
j⎤L1⋅
j⎤L1+
1
j⎤C2
1
j⎤C2
=
1
j⎤C3
+
j⎤L1
1−ω2L1C2
=−j
1−ω2L1(C2+C3)
⎤C3(1−ω2L1C2)
当Z(⎤)=∞,即分母为零
⎤C3(1−ω2L1C2)=0
ω1=
1
L1C2
并联谐振
当Z(⎤)=0,即分子为零
1−ω2L1(C2+C3)=0
ω2=
1
L1(C2+C3)
串联谐振
(ω1>ω2)
阻抗的频率特性
图(a)电路
X(⎤)
Z(⎤)=jX(⎤)
0
⎤1
⎤2
⎤
X(⎤)
图(b)电路
0
⎤2
⎤1
⎤
LC串并联电路的应用
可构成各种无源滤波电路(passivefilter)。
例
已知激励u1(t)包含⎤1和⎤2(⎤1<⎤2)两个频率分量,
u1(t)=u11(t)+u12(t)=U11msin⎤1t+U12msin⎤2t。
试设计
电路,要求响应u2(t)中不含有频率为⎤2的电压分量,
即u2(t)=U11msin⎤1t。
+
u1(t)
_
u2(t)
解下图LC滤波网络可满足设计要求
+
C3
L1
+
u1(t)
_
C2
R
u2(t)
_
取ω2=
1
L1C2
,使L1和C2发生并联谐振,此时L1和C2
并联支路阻抗为∞,相当于开路,负载端没有⎤2电压分量。
取
ω1=
1
L1(C2+C3)
电路发生串联谐振,虚框内呈短
路,⎤1电压分量直接加到负载R上。
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12.4
复频率和相量法的推广
一、指数正弦形电流
⎛t
i(t)
i(t)
i(t)
0
t
0
t
0
t
⎛<0,⎤≠0
i(t)
⎛<0,⎤≠0
i(t)
⎛=0,⎤≠0
i(t)
0
t
⎛<0,⎤=0
0
⎛>0,⎤=0
t
0
t
⎛=0,⎤=0
指数正弦形电流
⎛t
可引入一复指数函数来表示它。
由欧拉公式:
⎛t⎛t
可见
⎛tj(⎤t+⎝)j⎝(⎛+j⎤t)
j⎝
则
st
̇I即为代表电流i的复数。
对应一定的s,i与
一一对应关系。
表示为
i↔̇I
s=⎛+j⎤——复频率。
有̇I
令s=⎛+j⎤,̇I=Ie,
二、相量法的拓广
在相量法中有
(1)若i1↔I1,i2↔I2,则i1±i2↔I1±I2
(2)若i↔̇I,则di↔j⎤̇I
dt
(3)若i↔I,则∫idt↔j⎤I
在指数正弦激励下,类似有
(1)若i1↔I1,i2↔I2,则i1±i2↔I1±I2
(2)若i↔̇I,则di↔sİ
dt
(3)若i↔I,则∫idt↔1I
线性非时变电路在指数正弦形的激励下,当激励的
复频率s=⎛+j⎤不等于电路微分方程的特征根时,电路的
强制分量也具有与激励相同的指数正弦形式。
可将相量法拓广,应用于指数正弦形的激励下求强
制响应。
1.复数形式的基尔霍夫定律
KCL
KVL
∑i=0↔∑İ=0
∑u=0↔∑U=0
2.RLC元件方程的复数形式
电阻元件:
u=Ri↔U̇=Rİ
电感元件:
u=Ldi↔U̇=sLİ
dt
电容元件:
u=
11̇
C
此时电路元件可用复频率s下的阻抗
II
1
sC
+
U̇R
-
R
+
U̇
-
sL
+
U̇
-
1
sC
复频率下的RLC元件模型
∫idt↔U̇=sCI
̇̇
例
⎛t
i
R
解
求电流i的强制分量。
复频率下的电路模型如图。
复频率阻抗Z(s)=R+sL
uS
+
-
̇I
R
L
̇
Z(s)
U̇
R+sL
=
U̇
(R+⎛L)+j⎤L
U̇S
+
sL
=
U
(R+⎛L)2+(⎤L)2
ej(⎝−ϕ)=Iej⎭
-
复频率下的
其中
I=
U
22
ϕ=arctan
⎤L
R+⎛L
电路模型
所以
i=
U
(R+⎛L)2+(⎤L)2
⎛t
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已知uS(t)=Uesin(⎤t+⎝)。
̇I=US=
(R+⎛L)+(⎤L)
esin(⎤t+⎝−ϕ)
12.5
网络函数
一、网络函数(networkfunction)的定义
Ė
N(s)
R
在内部不含独立电源电路的某一端口施加正弦激
励e(t),由此激励在电路内产生某一强制响应r(t),则此
响应与激励的复数值之比称为网络函数,即
N(s)=
Ṙ
Ė
一般系统理论中,常将网络函数称作传递函数。
记作
Ṙ
E
二、网络函数的不同形式
(1)驱动点函数(drivingpointfunction)
(a)驱动点导纳
I1
U̇1
+
-
N(s)
N(s)=
İ1
U̇1
(b)驱动点阻抗
̇I
1
+
-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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