高頻電路分析講解教程

1、高頻電路分析講解教程 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(luò)選頻匹配網(wǎng)絡(luò) 1.5 第第1章章 LC諧振回路諧振回路 返回主目錄 高頻電路分析講解教程 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(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(hào)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(hào)的頻幅轉(zhuǎn)換和頻相轉(zhuǎn)換(例如在斜率鑒頻

2、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(jiǎn)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。 高頻電路分析講解教程 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、電容C和外加信號(hào)源 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(shí)， 可以直接給出LC并聯(lián)諧振回路 的某些主要參數(shù)及

3、其表達(dá)式： S I 高頻電路分析講解教程 (1) 回路諧振電導(dǎo) 2 0 2 0 2 0 0 )()( 1 Lw r Lwr r R g e e (2) 回路總導(dǎo)納 Y = ) 1 ( 0 wL wcjge (3) 諧振頻率0= LC f LC2 11 0 或 (4) 回路兩端諧振電壓U00= Lwge 00 1 (5) 回路空載Q值Q0= 00 00 / 1 e e gcw Lwg 高頻電路分析講解教程 (6) 單位諧振曲線。 諧振時(shí)，回路呈現(xiàn)純電導(dǎo)，且諧振導(dǎo)納最小（或諧振阻抗 最大）?；芈冯妷篣與外加信號(hào)源頻率之間的幅頻特性曲線稱 為諧振曲線。諧振時(shí)，回路電壓U00最大。任意頻率下的回路 電

4、壓U與諧振時(shí)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。 （） 2 0 200 /) 2 1 2(1 1 e g fL fc U U 由（）定義可知， 它的值總是小于或等于。 由式（）和式（）可得: 高頻電路分析講解教程 Lwg Lw Lw Lwcw g wL wc ee00 0 0 0 1 )()( 0 0 0 0 0 0 f f f f Q w w w w Q 所以 (f)= 2 00 2 0 )(1 1 f f f f Q 定義相對(duì)失諧= 00 f f f f ， 當(dāng)失諧不大時(shí)，即與0相差 很小時(shí), 00 0 0 00 00 2)(2 )()( f f f

5、 ff ff ffff f f f f 高頻電路分析講解教程 所以 N(f) = 2 0 2 0 ) 2 (1 1 f f Q 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(duì)于不同頻率信號(hào)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 2 1 高頻電路分析講解教程 2 1 ) 2 (1 1 )( 2 0 2 0 f f Q fN 可得 1 2 0 0 f f Q 1 )(2 0 02 0 f ff Q 1 )(2 0 01 0

6、 f ff Q 將式（）減去式（）， 可得到: 2 )(2 0 12 0 f ff Q 高頻電路分析講解教程 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(gè)性能指標(biāo)。 選擇性是指 諧振回路對(duì)不需要信號(hào)的抑制能力， 即要求在通頻帶之外， 諧振曲線（）應(yīng)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(gè)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(hào)可以無衰減通 過，而在通頻帶以外則為零，信號(hào)完全通不過，如圖 所示寬度為0.7、高度為的矩形。 0 0 Q f 高頻電路

7、分析講解教程 為了衡量實(shí)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(gè)性能指標(biāo)。 矩形系數(shù)0.1定義為單位諧振曲線（）值下降到 時(shí)的頻帶范圍0.1與通頻帶0.7之比， 即: 7 . 0 1 . 0 1 . 0 BW BW K 由定義可知，01是一個(gè)大于或等于的數(shù)， 其數(shù)值越小， 則對(duì)應(yīng)的幅頻特性越理想。 例 求并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)。 高頻電路分析講解教程 解： 取 10 1 ) 2 (1 1 )( 2 0 2 0 f f Q fN 利用圖1.2.2，用類似于求通頻帶0.7的方法可求得: 0 0 2 341 . 0 110 Q f ffBW 95. 91102 7 . 0

8、1 . 0 1 . 0 BW BW K 由上式可知， 一個(gè)單諧振回路的矩形系數(shù)是一個(gè)定值， 與其回路值和諧振頻率無關(guān)，且這個(gè)數(shù)值較大，接近， 說明單諧振回路的幅頻特性不大理想。 高頻電路分析講解教程 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(fù)載電阻。 下面按照與并聯(lián)回路的對(duì)偶關(guān)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 ( wc wL 回路空載值 Q0= r Lw0 回路有載值 Qe= rR Lw L 0 高頻電路分析講解教程 諧振頻率f 0= LC2 1 單位諧振函數(shù)N(f)= 22 0 001 1 Q

9、I I 通頻帶BW 0.7= 0 0 Q f 其中是任意頻率時(shí)的回路電流， 00是諧振時(shí) 的回路電流。 高頻電路分析講解教程 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(shí)阻抗的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式 分別為： Z=r+j 22 ) 1 ( wc wLr r wc wL 1 arctan 并聯(lián)諧振回路空載時(shí)阻抗的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式分 別為： 22 0 ) 1 ( 1 wL wcg z e 高頻電路分析講解教程 0 1 arctan e g wL wc 圖（）、 （）分別是串聯(lián)諧振回路與并 聯(lián)諧振回路空載時(shí)的阻抗特性曲線。由圖可見，前者在諧振頻

10、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(shí)，通過電流00最大； 并聯(lián)回路在諧振時(shí)，兩端電壓U 00最大。 在實(shí)際選頻應(yīng)用時(shí)，串聯(lián)回路適合與信號(hào)源和負(fù)載 串聯(lián)連接，使有用信號(hào)通過回路有效地傳送給負(fù)載；并聯(lián)回路 適合與信號(hào)源和負(fù)載并聯(lián)連接，使有用信號(hào)在負(fù)載上的電壓振 幅增大。 高頻電路分析講解教程 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。 高頻電路分析講解教程

11、 高頻電路分析講解教程 1.3 變壓器或分壓式阻抗變換電 考慮信號(hào)源內(nèi)阻s和負(fù)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= Lw R Lwg e e0 0 00 1 而回路有載值 Q0= Lw R Lwg e 0 0 0 1 高頻電路分析講解教程 其中回路總電導(dǎo)g =gs+gL+ge 0= ， 回路總電阻 R=RsRLRe0，s和L分別是信號(hào)源內(nèi)電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)。 R 1 可見，e0，且并聯(lián)接入的s和L越小，則e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(shí)際上， 信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載不一定是純電阻，可能還包括電

12、抗分量。 如要考慮信號(hào)源輸出電容和負(fù)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(shè)法盡量消除接入信號(hào)源和負(fù)載對(duì) 回路的影響。 高頻電路分析講解教程 采用阻抗變換電路可以改變信號(hào)源或負(fù)載對(duì)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(hào)源電容與負(fù)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。 下面介紹幾種常用的阻抗變換電路。 高頻電路分析講解教程 1.3.1自耦變壓器電路自耦變壓器電路 圖132(a)所示

13、為自耦變壓器阻抗變換電路，（）為考 慮次級(jí)后的初級(jí)等效電路，L是L等效到初級(jí)的電阻。 在 圖中，負(fù)載L經(jīng)自耦變壓器耦合接到并聯(lián)諧振回路上。設(shè)自 耦變壓器損耗很小，可以忽略，則初、次級(jí)的功率P1、P2近似 相等，且初、次級(jí)線圈上的電壓U1和U2之比應(yīng)等于匝數(shù)之比。 設(shè)初級(jí)線圈與抽頭部分次級(jí)線圈匝數(shù)之比1 2 ， 則有： L R U 2 1 2 1 1=2， U1U2 因?yàn)?P1= L R U P 2 2 2 2 1 高頻電路分析講解教程 所以2 2 2 1 1 nU U R R L L RL= LLL gngR n 2 2 1 或 對(duì)于自耦變壓器，總是小于或等于, 所以, L等效到 初級(jí)回路后阻

14、值增大，從而對(duì)回路的影響將減小。越小, 則 L越大，對(duì)回路的影響越小。所以，的大小反映了外部接 入負(fù)載（包括電阻負(fù)載與電抗負(fù)載）對(duì)回路影響大小的程度， 可將其定義為接入系數(shù)。 高頻電路分析講解教程 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(jí)后的初級(jí)等效電路， L是L等效到初級(jí)的電阻。若 1、 2分別為初、次級(jí)電感線圈匝數(shù)，則接入系數(shù)2 1。 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(jí)后的等效電阻 LLLL gngR n R 2 2 1 或 高頻電路分析講解教程 1.3.3電容分壓式電路電容分

15、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(jí)回路后的初級(jí)等效電路。 利用串、并聯(lián)等效變換公式，在2R2L(C1+C2)21時(shí)， 可以推導(dǎo)出L折合到初級(jí)回路后的等效電阻 LLL R n R CC C R 22 21 1 11 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 LL R C C R 2 1 2 高頻電路分析講解教程 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(jí)回路后的初級(jí)等效電路， 12。

16、 L折合到初級(jí)回路后的等效電阻 LLL R n R LL L R 22 21 2 11 其中是接入系數(shù)， 在這里總是小于。 高頻電路分析講解教程 例 某接收機(jī)輸入回路的簡(jiǎn)化電路如圖例1.2所示。 已知1=5pF，2=15pF，s=75 ，L=300 。為了使電路 匹配，即負(fù)載L等效到回路輸入端的電阻Ls， 線 圈初、次級(jí)匝數(shù)比12應(yīng)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(jí)聯(lián)。 L等效到兩端的電阻 RL= LLL RR C CC R n 16 1 2 1 21 2 2 高頻電路分析講解教程 L等效到輸入端的電阻 LLL R N N R N N R n 2 1 2 2

17、 1 2 1 16 1 RL= 如要求Ls， 則16 RL=Rs。 所以 2 2 1 N N 125. 0 16 2 1 L s R R N N 在以上介紹的四種常用阻抗變換電路中，所導(dǎo)出的接入系 數(shù)均是近似值，但對(duì)于實(shí)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。 高頻電路分析講解教程 采用以上四種電路雖然可以在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻 抗變換，但嚴(yán)格計(jì)算表明，各頻率點(diǎn)的變換值有差別。如果 要求在較窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)理想的阻抗變換，可采用下面 介紹的選頻匹配網(wǎng)絡(luò)。 高頻電路分析講解教程 1.4 選頻匹配網(wǎng)絡(luò)選頻匹配網(wǎng)絡(luò) 1.4.1 阻抗電路的串阻抗電路的串并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換并聯(lián)等效轉(zhuǎn)

18、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(zhuǎn)換， 而保持其等效阻抗和值不變。 由圖141可寫出： Zp=RpjXp= P PP P P PP P X XR R jR XR X 22 2 22 2 Zs=Rs+jXs 要使ps，必須滿足: Rs= 2 22 2 P PP P X XR R 高頻電路分析講解教程 按類似方法也可以求得: Rp= Rp= 2 22 S SS R XR S SS X XR 22 將上式代入式(1.4.3)、 (1.4.4)可以得到下述統(tǒng)一的阻抗轉(zhuǎn) 換公式，同時(shí)也滿足式(1.4.1)和(1.4.2)。 Sep RQR)1 ( 2 S e p X

19、Q X) 1 1 ( 2 高頻電路分析講解教程 由式(1.4.7)可知， 轉(zhuǎn)換后電抗元件的性質(zhì)不變。 當(dāng)Qe1時(shí)，則簡(jiǎn)化為： Rp Q2eRs (1.4.8) Xp Xs (1.4.9) 高頻電路分析講解教程 1.4.2選頻匹配原理選頻匹配原理 LC選頻匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)是由兩個(gè)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(fù)載電阻，R1是二端 網(wǎng)絡(luò)在工作頻率處的等效輸入電阻。 對(duì)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

20、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(shí)，有 X1+Xp=0, R1=Xp 高頻電路分析講解教程 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(luò)電抗值 1 2 1 R R |X2|=QeR2= )( 212 RRR |X1|=|Xp|= 21 2 1 1 RR R R Q R e 高頻電路分析講解教程 由式(1.4.10)可知，采用這種電路可以在諧振頻率處增大負(fù) 載電阻的等效值。 對(duì)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.

21、2(d)所示。在X1與Xs串聯(lián) 諧振時(shí)，可求得以下關(guān)系式： R1=Rs= 2 2 )1 ( 1 R Qe 1 1 2 R R Q 12 1 2 2 2 RR R R Q R X e 高頻電路分析講解教程 |X1|=|Xs|=QeR1= )( 121 RRR 由式(1.4.13)可知， 采用這種電路可以在諧振頻率處減小負(fù) 載電阻的等效值。 T型網(wǎng)絡(luò)和型網(wǎng)絡(luò)各由三個(gè)電抗元件(其中兩個(gè)同性質(zhì)， 另一個(gè)異性質(zhì))組成，如圖 1.4.3所示，它們都可以分別看作是兩 個(gè)倒L型網(wǎng)絡(luò)的組合，用類似的方法可以推導(dǎo)出其有關(guān)公式。 例 1.3 已知某電阻性負(fù)載為10，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)， 使該負(fù)載在20MHz時(shí)轉(zhuǎn)換為50。 如負(fù)載由10電阻和0.2 H 電感串聯(lián)組成，又該怎樣設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)? 高頻電路分析講解教程 解 由題意可知，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使負(fù)載值增大，故采用圖 1.4.2(a)所示倒L型網(wǎng)絡(luò)。 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(10 1050 10 uH w X 16. 0 10202 20