linChapter2选频网络.pptx
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1、引言引言1.1.选频的基本概念选频的基本概念 所谓选频就是选出需要的频率分量并且所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量滤除不需要的频率分量。2.2.选频网络的分类选频网络的分类单振荡回路单振荡回路单振荡回路单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路振荡回路(由振荡回路(由振荡回路(由振荡回路(由L L L L、C C C C组成)组成)组成)组成)各种滤波器各种滤波器各种滤波器各种滤波器LCLCLCLC集中滤波器集中滤波器集中滤波器集中滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波
2、器声表面波滤波器声表面波滤波器3.3.选频网络在本课程选频网络在本课程的用途的用途 前端选择性电路前端选择性电路 高频小信号放大器负载高频小信号放大器负载 中频放大器负载中频放大器负载 高频功率放大器负载高频功率放大器负载 混频器负载混频器负载 正弦波振荡器回路正弦波振荡器回路 调制电路负载调制电路负载2.1.1 2.1.1 串联谐振回路串联谐振回路2.1.1-1 2.1.1-1 概述概述2.1.1-22.1.1-2 谐振及谐振条件谐振及谐振条件2.1.1-3 2.1.1-3 谐振特性谐振特性2.1.1-4 2.1.1-4 能量关系能量关系2.1.1-5 2.1.1-5 谐振曲线和通频带谐振曲
3、线和通频带2.1.1-6 2.1.1-6 相频特性曲线相频特性曲线2.1.1-7 2.1.1-7 信号源内阻及负载对串联谐振回路信号源内阻及负载对串联谐振回路 的影响的影响由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路,称为单振由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路,称为单振荡回路。荡回路。2.1.1-1概述概述串联单振荡回路串联单振荡回路并并联单振荡回路。联单振荡回路。高频电子线路中的高频电子线路中的电感线圈等效为电感电感线圈等效为电感L和损耗和损耗电阻电阻R的串联;的串联;电容器等效为电容电容器等效为电容C和损耗电阻和损耗电阻R的并的并联。联。通常,相对于电感线圈的损耗,电容的损耗很小,通常,相对于电
4、感线圈的损耗,电容的损耗很小,可以忽略不计。可以忽略不计。损耗电阻损耗电阻高高频频电电子子线线路路(第第四四版版)张张肃肃文文主主编编高高等等教教育育出出版版社社信号源与电容和电感串接,信号源与电容和电感串接,就构成串联振荡回路。就构成串联振荡回路。串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值,而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。值,而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性,这个特定单振荡回路的这种特性称为谐振特性,这个特定频率就叫做谐振频率。频率就叫做谐振频率。谐振回路具有选频和滤波作用。谐振回路具有选频和滤波作用
5、。2.1.1-1概述概述2.1.1-2谐振及谐振条件谐振及谐振条件1.1.阻抗阻抗当当 时时达到最大达到最大当当 0 0时,时,|z|R|z|R,0 0 ,x x 0 0 呈感性,电流滞后电压,呈感性,电流滞后电压,i i 0 0 0 0,x x 0 0 0 =0 0|z|=R|z|=R x x=0 =0 达到串联谐振。达到串联谐振。当回路谐振时的感抗或容抗,称之为特性阻抗。用当回路谐振时的感抗或容抗,称之为特性阻抗。用 表示表示2.1.1-3 2.1.1-3 谐振特性谐振特性1)2)谐振时电流最大且与电压源同相谐振时电流最大且与电压源同相选频特性曲线选频特性曲线谐振时,回路阻抗值最小,即谐振
6、时,回路阻抗值最小,即Z=R;,具有带通选频特性。,具有带通选频特性。当信号源为电压源时,回路电流最大,当信号源为电压源时,回路电流最大,2.1.1-3 2.1.1-3 谐振特性谐振特性3)2 2、谐振频率、谐振频率f f0 0若 则 当 ,为最大值,此时回路发生串联谐振,称使 的信号频率为谐振频率以o表示,即所以 因此也称x=o L 为串联谐振回路的谐振条件。谐振时,电感、电容消失了!谐振时,电感、电容消失了!实际上,谐振时实际上,谐振时又因为又因为所以所以 3.3.品质因数品质因数Q Q:电感线圈的品质因数电感线圈的品质因数线圈的线圈的Q值常在几十到一、二百左右。值常在几十到一、二百左右。
7、3.3.品质因数品质因数Q Q:谐谐振振时时回回路路感感抗抗值值(或或容容抗抗值值)与与回回路路电电阻阻R R的的比比值值称称为为回回路路的品质因数,以的品质因数,以Q Q表示。表示。当谐振时:当谐振时:特性阻抗特性阻抗谐振时谐振时又因为又因为所以所以 因因此此串串联联谐谐振振时时,电电感感L L和和电电容容C C上上的的电电压压达达到到最最大大值值且且为为输输入入信信号号电电压压的的Q Q倍倍,故故串串联联谐谐振振也也称称为为电电压压谐谐振振。因因此此,必必须须预先注意回路元件的耐压问题预先注意回路元件的耐压问题。结论:结论:电感线圈与电容器两端的电压模值相等,且等于外加电压电感线圈与电容器
8、两端的电压模值相等,且等于外加电压 的的Q Q倍倍。QQ值一般可以达到几十或者几百,故电容或者电感两端的值一般可以达到几十或者几百,故电容或者电感两端的 电压可以是信号电压的几十或者几百倍,称为电压谐振,电压可以是信号电压的几十或者几百倍,称为电压谐振,在实际应用的时候要加以注意。在实际应用的时候要加以注意。4.4.广义失谐系数广义失谐系数:广义失谐是表示回路失谐大小的量,广义失谐是表示回路失谐大小的量,其定义为:其定义为:当当 0即失谐不大时即失谐不大时:当谐振时:当谐振时:=0。串联单振荡回路由电感线圈(包括其损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,电抗元件电感和电容耗电
9、阻)和电容器构成,电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量,电路进入稳定状态不消耗外加电动势的能量,电路进入稳定状态后,二者只储存和交换能量,消耗能量的只有后,二者只储存和交换能量,消耗能量的只有损耗电阻。损耗电阻。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2.1.1-4 能量关系能量关系2.1.1-4 能量关系能量关系谐振时谐振时 vci电容的瞬时能量电容的瞬时能量:电感的瞬时能量电感的瞬时能量:回路总的瞬时储能回路总的瞬时储能W 是一个不随时间变化的常数。这说明回路中储存的
10、能量是一个不随时间变化的常数。这说明回路中储存的能量是不变的,只是在线圈与电容器之间相互转换。且电抗元是不变的,只是在线圈与电容器之间相互转换。且电抗元件不消耗外加电动势的能量,外加电动势只提供回路电阻件不消耗外加电动势的能量,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。所以回路谐振时所消耗的能量,以维持回路的等幅振荡。所以回路谐振时电流最大。电流最大。电路电路R上消耗的平均功率为:上消耗的平均功率为:每一周期时间内消耗在电阻上的能量为:每一周期时间内消耗在电阻上的能量为:结论:结论: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电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬
11、时能量 的最大值相等。的最大值相等。能量能量W是一个不随着时间变化的常数,这说明整个回路中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转换,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。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,以维持回路的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。等幅振荡,谐振时振荡器回路中的电流最大。2.1.1-5谐振曲线和通频带谐振曲线和通频带串串联联谐谐振振回回路路中中电电流流幅幅值值与与外外加加电电动动势势频频
12、率率之之间间的关系曲线称为谐振曲线。的关系曲线称为谐振曲线。可用可用N N(f f)表示谐振曲线的函数。表示谐振曲线的函数。Q Q值不同即损耗值不同即损耗R R不同时,对曲线有很大影响,不同时,对曲线有很大影响,Q Q值大曲线尖锐,选择性好,值大曲线尖锐,选择性好,Q Q值小曲线钝,通带宽。值小曲线钝,通带宽。通频带通频带定义定义:回路外加电压的幅值不变时,改变频率,回路电流回路外加电压的幅值不变时,改变频率,回路电流I I下降下降到到I Io o 的的 时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带,用用B B表示表示:当当 时时 而而 所以所以也可用线频率也可
13、用线频率f0表示,即表示,即 2.1.16 相频特性曲线相频特性曲线回路电流的相角回路电流的相角 随频率随频率 变化的曲线。变化的曲线。所以回路电流的相角所以回路电流的相角 为阻抗幅角的负值,为阻抗幅角的负值,=回路电流回路电流的相角是与外加电压相比较而言的。若超前,则的相角是与外加电压相比较而言的。若超前,则 0 0 若滞后,则若滞后,则 0 Q Q2 2 因为因为回路电流的相频特性曲线为回路电流的相频特性曲线为 通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载值叫做无载Q(空载(空载Q值)值)如式如式 2.1.1-7 信号源内阻及负载
14、对串联谐振回路的影响信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响其中其中R R为回路本身的损耗,为回路本身的损耗,R RS S为信号源内阻,为信号源内阻,R RL L为负载为负载通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的Q Q值叫做值叫做有载有载Q QL,L,如式如式结论:结论:串联谐振回路通常适用于信号源内阻串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小很小 (恒压源)和负载电阻恒压源)和负载电阻RL也不大的情况。也不大的情况。例题例题1:如图,设给定串联谐振回路的f0=1MHz,Q0=50,若输出电流超前信号源电压相位45,试求:1)此时信号源频率f是多少?输出电流相对
15、于谐振时衰减了多少分贝?2)现要在回路中的再串联一个元件,使回路处于谐振状态,应该加入何种元 件,并定性分析元件参数的求法。本题主要考查的是串联谐振回路基本参数与特性,及其在失谐情况下的特性。该题应该从“输出电流超前信号源电压45”入手,针对失谐时的回路阻抗,具体分析输出电压与信号源的角度关系。同时,由于题目给出的是谐振时的条件,解题时应将失谐的情形与谐振时相参照,以便充分利用已知条件求解。分析:解:1)串联谐振回路中,输出电流为:因此有,则,当回路处于谐振状态时,因而,,正好是定义通频带B的条件,即信号源频率处于回路通频带边缘,由通频带的定义可知:由已知条件f0=1MHz,Q=50,得 所以
16、,又由已知条件知回路失谐状态时,L1/C,故0,即ff0,从而可得:因为,根据分贝定义,即输出电流相当于谐振时衰减了3dB。2)由上一问可知 R Is C L+R Vo 谐振时的阻抗特性:谐振时的阻抗特性:因此回路谐振时:因此回路谐振时:2.1.2-22.1.2-2 谐振条件谐振条件2.1.2-3 谐振特性谐振特性谐振条件谐振条件:若若 不成立不成立谐振时谐振时Z Z为实数为实数,故故2.2.谐振频率谐振频率f f0 03.3.品质因数品质因数 谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源I IS S的的 QP倍。因此,倍。因此,并联谐振又称
17、为电流谐振。并联谐振又称为电流谐振。一般一般Q为几十到几百,因此信号源的电流不是很大,而支路内的电流却是很大。为几十到几百,因此信号源的电流不是很大,而支路内的电流却是很大。4.4.广义失谐广义失谐 表示回路失谐大小的量表示回路失谐大小的量1.谐振曲线谐振曲线 串联回路用电流比来表示,并联回路用电压比来表示。串联回路用电流比来表示,并联回路用电压比来表示。回路端电压回路端电压 谐振时回路端电压谐振时回路端电压 由此可作出谐振曲线由此可作出谐振曲线 2.1.2-4 2.1.2-4 谐振曲线、相频特性和通频带谐振曲线、相频特性和通频带在小失谐时:在小失谐时:结论:结论:当回路端电压下降到最大值的当
18、回路端电压下降到最大值的 时所对应的频率范围时所对应的频率范围 即即 绝对通频带绝对通频带 相对通频带相对通频带3.通频带通频带相角:相角:2.相频特性相频特性串联电路里串联电路里 是指回路电流是指回路电流与信号源电压与信号源电压 的相角差。而并的相角差。而并联电路是联电路是 是指回路端电压对信号源电流是指回路端电压对信号源电流I Is s的相角差。的相角差。=p p 时时 =0 =0 回路呈纯阻回路呈纯阻 p p 时时 0 0 回路呈回路呈容性容性 0 0 回路呈回路呈感性感性 相频曲线如图所示相频曲线如图所示2.1.2-5 信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响信号源内阻和负载电阻对并联
19、谐振回路的影响 例例2-12-1:有一并联谐振回路如图,并联回路的无载:有一并联谐振回路如图,并联回路的无载Q Q值值 Q Qp p=80=80,谐振电阻,谐振电阻 R Rp p=25k=25k,谐振频率,谐振频率f fo o=30MHz=30MHz,信号源电流幅度信号源电流幅度 I Is s=0.1mA=0.1mA(1)(1)若信号源内阻若信号源内阻R Rs s=10k=10k,当负载电阻,当负载电阻R RL L不接时,不接时,问通频带问通频带B B和谐振时输出电压幅度和谐振时输出电压幅度V Vo o是多少?是多少?(2)(2)若若R Rs s=6k=6k,R RL L=2k=2k,求此时的
20、通频带,求此时的通频带B B和和V Vo o 是多少?是多少?解解:(1)Rs=10k,而(2)故并联电阻愈小,即故并联电阻愈小,即Q QL L越低,通带愈宽。越低,通带愈宽。串联谐振回路并联谐振回路阻抗或导纳谐振频率品质因数Q 通频带B=相频特性曲线失谐时阻抗特性 0,x 0 回路呈感性 0,xp,B 0 回路呈容性 p,B0 回路呈感性谐振电阻最小 =R最大有载Q值z=R+jx=R+j(L-)=广义失谐系数:谐振曲线:2.1.3 2.1.3 串、并联阻抗等效互换与抽头变换串、并联阻抗等效互换与抽头变换1 1 串并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换 所谓等效就是指电路工作在某一频率时,不管
21、其内部的所谓等效就是指电路工作在某一频率时,不管其内部的电路形式如何,从端口看过去其阻抗或者导纳是相等的。电路形式如何,从端口看过去其阻抗或者导纳是相等的。故:故:由于串联电路的有载品质因数由于串联电路的有载品质因数与并联电路的有载品质因数相等与并联电路的有载品质因数相等所以等效互换的变换关系为:所以等效互换的变换关系为:当品质因数很高(大于当品质因数很高(大于1010或者更大)时则有或者更大)时则有结论:结论:2)串联电抗变为同性质的并联电抗。串联电抗变为同性质的并联电抗。1)小的串联电阻变为大的并联电阻。小的串联电阻变为大的并联电阻。当品质因数足够高时当品质因数足够高时2 回路抽头时阻抗的
22、变化(折合)关系回路抽头时阻抗的变化(折合)关系 前面分析了信号源内阻和负载电阻对电路的影响。前面分析了信号源内阻和负载电阻对电路的影响。为了减小信号源或负载电阻对谐振回路的影响,信号为了减小信号源或负载电阻对谐振回路的影响,信号源或负载电阻不是直接接入回路,而是经过一些简单的变源或负载电阻不是直接接入回路,而是经过一些简单的变换电路,将它们换电路,将它们部分接入部分接入回路。回路。串联:串联:空载空载 有载有载 接入系数接入系数P P 即为抽头点电压与端电压的比即为抽头点电压与端电压的比根据能量等效原则:根据能量等效原则:因此因此由于由于 ,因此因此P P是小于是小于1 1的正数,即的正数,
23、即 即由低抽头向高抽头转换时,等效阻抗提高即由低抽头向高抽头转换时,等效阻抗提高 倍。倍。2 回路抽头时阻抗的变化(折合)关系回路抽头时阻抗的变化(折合)关系 接入系数:接入系数:1)在不考虑在不考虑 之间的互感之间的互感M时时:当抽头改变时当抽头改变时,p,p值改变值改变,可以改变回路在可以改变回路在dbdb两端的等效阻抗两端的等效阻抗当考虑当考虑 和和 之间的互感之间的互感M时接入系数时接入系数2)对于电容抽头电路而言对于电容抽头电路而言,接入系数接入系数 应该指出接入系数应该指出接入系数 或或 都是假定外接在都是假定外接在ab端的阻抗远大于端的阻抗远大于 L1或或 时才成立。时才成立。3
24、)电流源的折合:电流源的折合:右右图图表表示示电电流流源源的的折折合合关关系系。因因为为是等效变换,变换前后其功率不变。是等效变换,变换前后其功率不变。电压源和电流源的变比是电压源和电流源的变比是 而不是而不是 从从ab端到端到bd端电压变换比为端电压变换比为1/P ,在保持功率相同的条件下,电流变换比就是在保持功率相同的条件下,电流变换比就是P倍。倍。即由低抽头向高抽头变化时,电流源减小了即由低抽头向高抽头变化时,电流源减小了P倍。倍。由于由于4)负载电容的折合负载电容的折合结论:结论:1 1、抽头改变时,、抽头改变时,或或 、的比值改的比值改 变,即变,即P改变改变 2 2、抽头由低、抽头
25、由低高,等效导纳降低高,等效导纳降低P2倍,倍,Q值提高许值提高许 多,即等效电阻提高了多,即等效电阻提高了 倍,并联电阻加大,倍,并联电阻加大,Q 值提高。值提高。电容减小,阻抗加大。电容减小,阻抗加大。因此,抽头的目的是:因此,抽头的目的是:减小信号源内阻和负载对回路和影响。减小信号源内阻和负载对回路和影响。负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式;负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式;负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式;负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式;负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式 。例例2-2 下图为紧耦合的抽头电路,其
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