1、5.1 频率响应与网络函数5.2 一阶电路和二阶电路的频率响应5.3 串联谐振电路5.4 并联谐振电路5.5 应用实例5.6 电路设计习题55.1 频率响应与网络函数频率响应与网络函数对于动态电路，由于容抗和感抗都是频率的函数，因而不同频率的正弦激励作用于电路时，即使其振幅和初相相同，响应的振幅和初相都将随之而变。这种电路响应随激励频率而变化的特性称为电路的频率特性或频率响应。(5.1-1)在电路分析中，电路的频率特性通常用正弦稳态电路的网络函数来描述。在具有单个正弦激励源(设其角频率为)的电路中，如果将我们所关心的某一电压或电流作为响应，根据齐次定理，响应相量(振幅相量或有效值相量)与激励相
2、量(振幅相量或有效值相量)成正比，即mFmYYF mY=H(j)mF 或 Y=H(j)F 式中的比例系数H(j)称为网络函数，即(5.1-2)FYFYHmm)j(根据响应和激励是否在电路同一个端口，网络函数可分为策动点函数和转移函数(或传输函数)。当响应与激励处于电路的同一端口时，称为策动点函数；否则称为转移函数。根据响应、激励是电压还是电流，策动点函数又分为策动点阻抗和策动点导纳；转移函数又分为转移电压比、转移电流比、转移阻抗和转移导纳。譬如，在图5.1-1(b)所示的RC电路中，若以电容电压为响应，以电压源为激励，其网络函数(转移电压比)为(5.1-3)CUSUCRCRCUUHSCj11j
3、1j1)(j可见网络函数H(j)是由电路的结构和参数所决定的，并且一般是激励角频率(或频率)的复函数。它反映了电路自身的特性。显然，当激励的有效值和初相保持不变(即不变)，而频率改变时，响应=H(j)将随频率的改变而变化，其变化规律与H(j)的变化规律一致。也就是说，响应与激励频率的关系取决于网络函数与频率的关系，故网络函数又称为频率响应函数，简称频率响应。SUCUSU(5.1-4)将H(j)、都写成极坐标的形式，代入式(5.1-2)可得 YF)j(jj)(jeeee)(j)(jfyfyFYFYHH由此可得(5.1-5)(5.1-6)FYH)(j()=y f 式中|H(j)|是H(j)的模，它
4、是响应相量的模与激励相量的模之比，称为幅度-频率特性或幅频响应；()是H(j)的辐角，它是响应相量与激励相量之间的相位差，称为相位-频率特性或相频响应。Y由式(5.1-1)、(5.1-5)和(5.1-6)可得，若激励相量所对应的正弦量为 f(t)=Fm cos(t+f)则响应相量所对应的正弦量为(5.1-7)y(t)=Ym cos(t+y)=H(j)Fm cos t+f+()例例 5.1-1 如图5.1-1(a)所示的电路，若 R=1 k，C=1F，激励电压 uS=10 cos0t+10 cos 20t+10 cos 30t V 其中角频率0=103rad/s，求电路的响应uC(t)。图 5.
5、1-1 例5.1-1图解解 输入信号us(t)含有三个不同频率的正弦量，分别为 uS1(t)=10 cos0t V uS2(t)=10 cos 20t V uS3(t)=10 cos 30t V 将这三个分量等效为三个电压源串联，它们各自引起的响应分别用uC1(t)、uC2(t)和uC3(t)表示，则根据叠加定理，电路在激励us(t)作用下的稳态响应为 uC(t)=uC1(t)+uC2(t)+uC3(t)对图5.1-1电路，将电路参数R=1k，C=1 F代入式(5.1-3)得其网络函数为 310j11)j(H对于=0=103 rad/s，=20=2103 rad/s，=30=3103rad/s
6、，其值分别为0045707.01 j11)(jH004.63447.02j11)2(jH6.71316.03j11)3(j0H由于各不同频率的激励振幅相量分别为故由式(5.1-1)得相应的响应相量为 V，0103mUV,0102mUV,010m1UmCU1=H(j0)mSU1=7.07-45 o V mCU2=H(j20)mSU2=4.47-63.4 o V mCU3=H(j30)mSU3=3.16-71.6 o V 按式(5.1-7)可分别求得它们所对应的正弦量。最后可得图5.1-1电路的响应 uC(t)=7.07 cos(0t 45 o)+4.47 cos(20t 63.4 o)3.16
7、cos(30t 71.6 o)V 由本例也可看出，激励作用于电路时，其不同频率分量的幅度和相位受到不同的影响，而正弦稳态网络函数恰反映了这一情况。对于图5.1-1(b)所示的电路，求式(5.1-3)的模和相位，可得其幅频响应和相频响应分别为(5.1-8a)(5.1-8b)2)(11)(jRCH其幅频响应和相频响应曲线如图5.1-2所示。图 5.1-2 例5.1-1的频率响应由图5.1-2可见，当频率很低时，|H(j)|1;当频率很高时，|H(j)|1。这表明，图5.1-1的电路，当输出取自电容电压时，低频信号较容易通过，而高频信号将受到抑制，常称这类电路为低通滤波电路或低通滤波器。通常将的频率
8、范围称为该电路的通带；而将的频率范围称为止带或阻带；二者的边界称为截止频率，用fc表示，截止角频率用c表示。当=c时，电路的输出功率是最大输出功率的一半，因此，c又称为半功率点频率。工程上，通常用分贝(decibel，简记为dB)作为度量|H(j)|的单位。|H(j)|所具有的分贝数规定为20 lg|H(j)|。由于20 lg-3，即，当=c时，电路的输出幅度下降了其最大值的3分贝，因而c也称为3分贝频率。21)(jmaxHH21)(jmaxHH21由式(5.1-8a)可知Hmax=1，故由 得cRC=1，故该低通滤波器的截止角频率(5.1-9)21)(11)(2maxRCHjHC)rad/s
9、(1RCC由图5.1-2可见，相频响应随的增高，由零单调地减小到-/2。在截止频率处(c)=-/4。按通、止带来分类，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等，如图5.1-3所示。幅频响应|H(j)|为常数的电路称为全通电路。图 5.1-3 滤波器的分类5.2 一阶电路和二阶电路的频率响应一阶电路和二阶电路的频率响应5.2.1 一阶电路一阶电路 一阶电路通常有RC电路和有源RC电路等，按其频率响应可分为低通、高通和全通三种类型。一阶电路网络函数的典型形式为(5.2-1)CCHHj)(j0低通函数(5.2-2)(5.2 3)高通函数 全通函数 CHHjj)(jCCHHjj)(j0 上节讨论的图5.1
10、-1就是一RC低通电路(请参看例5.1-1)，其网络函数(5.2-4)CCHj)(j式中，c=1/(RC)，与式(5.2-1)相比较知H0=1，其幅频特性和相频特性如图5.1-2所示。RC低通电路被广泛应用于电子设备的整流电路中，以滤除整流后电源电压中的交流分量；或用于检波电路中以滤除检波后的高频分量。因此，该电路又称为RC低通滤波电路。若将图5.1-1(b)RC电路的电阻电压作为响应，如图5.2-1(a)所示，它就变成了一个高通电路，不难求出其网络函数(5.2-5)CHjj)(j式中，c=1/(RC)，与式(5.2-2)相比较知，H=1。上式可进一步写为(5.2-6)CCHj11jj)(j图
11、 5.2-1 RC高通电路该高通电路的幅频和相频特性分别为(5.2-7)CCHarctan)()(11)(j2按上式画出的幅频和相频特性曲线如图5.2-1(b)所示。在截止频率c处，|H(jc)|=,(c)=/4。c的频率范围为通频带；0c的频率范围为阻带。这一电路常用作电子电路放大器级间的RC耦合电路。2/15.2.2 二阶电路二阶电路二阶电路有RLC电路、RC电路和RC有源电路等，按频率响应可分为低通、高通、带通、带阻和全通等五种类型。各种典型的二阶网络函数为(5.2-8)2002200)(j)(j)(jQHH低通函数(5.2-9)(5.2 10)高通函数 20022)(j)(j)(j)(
12、jQHH带通函数 200200)(j)(j)(j)(jQQHH(5.2 11)(5.2 12)带阻函数 2002202)(j)(j)(j)(jQHH全通函数 200220020)(j)(j)(j)(j)(jQQHH 例例 5.2-1 图5.2-2(a)是双RC电路，如以为激励，以为响应，求电压比函数 H(j)=，并分析其特性。1U2U12/UU图 5.2-2 RC带通电路解解 对图5.2-2(a)所示的电路，根据分压公式 12212)1()(j3)(j)(j331j1j1j1j1j1URCRCRCUCRCRCRCRCRU可得网络函数(转移电压比)2212)1()(j3)(j)(j331)(jR
13、CRCRCUUH令0=1/(RC)，Q=1/3，H0=1/3，于是上式可写为(5.2-13a)20020012)(j)(j)(j)(jQQHUUH上式分子、分母同除以 j，并稍加整理，可得带通函数的另一种典型形式(5.2-13b)Q0)(j1)(j00012QHUUH其幅频和相频特性分别为(5.2-14)(5.2-15)20020)(1)(jQHH)(arctan)(00Q由上式可见，当=0时，|H(j0)|=H0。其幅频、相频特性曲线如图5.2-2(b)所示。由幅频特性曲线可知，幅频特性的极大值发生在=0处，0称为中心角频率。在=0处，Hmax=|H(j0)|=H0，(0)=0；在=和=0处
14、，|H(0)|=|H(j)|=0，(0)=()=/2。当|H(j)|下降到其最大值的1/倍时，其所对应的频率称为截止频率，用fc1、fc2表示，其角频率用c1、c2表示。根据式(5.2-14)有(5.2-16)21)(11)(j2002maxccQHH2可得(5.2-17)1)(1)(20021001CCCCQQ由上式可解得 (5.2-18)(5.2 19)1)21(2120101QQffCC1)21(2120202QQffCC c1c2的频率范围(相应地fc1 ffc2)为通带，c2(相应地ffc2)为阻带。通带的宽度称为带通电路的带宽或通频带，它可用角频率表示，也可用频率表示(请注意，二者
15、单位不同，且勿混淆)，都记为B，即(5.2-20a)B=C2C1=Q0 rad/s 或(5.2-20b)B=fC2 fC1=Qf0 Hz 对于本例，将Q=1/3，0=1/(RC)代入式(5.2-18)(5.2-20a)，得c1=0.3/(RC),c2=3.3/(RC)，B=3/(RC)rad/s或B=3f0Hz(式中f0=1/(2RC)。例例 5.2-2 图5.2-3(a)所示的双T电路是一个带阻电路。如以为激励，以为响应，求电压比函数H(j)=，并分析其频率特性。1U2U12/UU图 5.2-3 RC带阻电路解解 经过运算可求得其网络函数200220212j)(j)(j)(jQHUUH(5.
16、2-21)式中，0=1/(RC)，H=1，Q=1/4。上式分子、分母同除以(j)2+，并稍加整理，得 20200)(1j1)(jQHH其幅频和相频特性分别为(5.2-22)(5.2-23)2002)(11)(jQHH)(1arctan)(00Q由上式可知，H是=(或=0)时|H(j)|的值。其幅频和相频特性曲线如图5.2-3(b)所示。由图可见，在中心角频率=0处，|H(j0)|=0，(0)=/2。0常称为陷波角频率。在=和=0处，|H(j0)|=|H(j)|=H=1，(0)=()=0。该电路常用作高频陷波电路。处所对应的频率称为截止频率，由式(5.2-22)可求得截止角频率为(5.2-24)
17、(5.2-25)21|)(|maxHjH1)21(2120101QQffCC1)21(2120202QQffCC c1c2的频率范围(相应地fc1f fc2)为阻带，c2(相应地ffc2)为通带。阻带的宽度称为带阻电路的带宽或阻频带(用角频率或频率表示)，记为B，(5.2-26)B=C2C1=Q0 rad/s 或 B=fC2fC1=Qf0 Hz (5.2-27)例例 5.2-3 图5.2-4是一种有源RC电路，求网络函数H(j)=。解解 由图可列出节点a的节点方程为 12/UU11235252431)(UYUYUYYYYYYYa图 5.2-4 有源RC电路根据分压公式，节点b的电压 aaabU
18、YYYYYUYUZZZU522525525111(5.2-28)输出电压 将以上式及式(5.2-27)代入式(5.2-28)并消去，就可得到网络函数 abUYYAYUAU5222aU3252524312112)()(jYAYYYYYYYYYAYUUH通过适当地搭配各导纳(选电阻或电容)，就可得到不同类型的网络函数。也就是说，图5.2-4的电路可实现多种类型的滤波电路。譬如，当Y1=Y2=1/R，Y3=Y5=jC，Y4=0时所构成的电路，其网络函数为式(5.2-8)，是低通滤波电路；当Y1=Y2=jC，Y3=Y5=1/R,Y4=0时所构成的电路，其网络函数为式(5.2-9)，是高通滤波电路；当Y
19、1=Y3=Y5=1/R，Y2=Y4=jC时所构成的电路，其网络函数为式(5.2-10)，是带通滤波电路。5.3 串联谐振电路串联谐振电路 5.3.1 RLC串联谐振串联谐振图5.3-1是r、L、C组成的串联电路，其电源是角频率为(频率为f)的正弦电压源，设电源电压相量为，其初相为零。图 5.3-1 rLC串联电路图5.3-1串联回路的总阻抗(5.3-1)式中电抗(5.3-2)rXXrXrZarctanj22ejCLX1串联电路中的电流相量(5.3-3)rXSSXrUZUIarctanj22e其模和相角分别为 (5.3-4)rCLrXXrUIS1arctanarctan22由以上关系可以看出，在
20、电路参数r、L、C一定的条件下，当激励信号的角频率变化时，感抗L随增高而增大，容抗1/(C)随增高而减小。因此，总电抗X=L-1/(C)也随频率而变化。图5.3-2画出了感抗、容抗、总电抗X和阻抗的模值|Z|随角频率变化的情况。图 5.3-2 串联回路的阻抗由图可见，当频率较低时，L1/(C)，电抗为正值，电路呈感性，因而电流落后于电压，其相量关系如图5.3-3(c)所示。图 5.3-3 rLC串联电路的相量图当回路电抗等于零，电流与电源电压同相时，称电路发生了串联谐振。这时的频率称为串联谐振频率，用f0表示，相应的角频率用0表示。由式(5.3-2)，电路发生串联谐振时，有0100CLXISU
21、故得谐振角频率0及谐振频率f0为(5.3-5)LCfLC21100当rLC串联电路发生谐振时，电抗X=0，故阻抗为纯阻性，且等于r，阻抗模最小。若谐振时的阻抗用Z0表示，则有 Z0=r (5.3-6)谐振时，0=1/，此时的感抗与容抗数值相等，其值称为谐振电路的特性阻抗，用表示，即(5.3-7)LCCLC01=0L=可见特性阻抗是一个仅由电路参数决定的量。在工程中，通常用电路的特性阻抗与回路电阻r的比值来表征谐振电路的性质，此比值称为串联谐振电路的品质因数，用Q表示，即(5.3-8)CLrCrrLrQ1100它是一个无量纲的量。其含义稍后说明。由式(5.3-3)可得，谐振时X=0，电流(5.3
22、-9)rUZUISS00(5.3-10)此时，电流与同相，并且I0达到最大值。谐振时，各元件电压分别为 0ISUSSCSSLSSrUQUCrICUUQUrLILjUUrUrI rUj1j1jjj0000000000可见，谐振时，电感电压和电容电压的模值相等，均为激励电压的Q倍，即UL0=UC0=QUs，但相位相反，故相互抵消(参看图5.3-3(b)。这时，激励电压Us全部加到电阻r上，电阻电压Ur达到最大值。实际中的串联谐振电路，通常r，Q值可达几十到几百，因此谐振时电感和电容上的电压值可达激励电压的几十到几百倍，所以串联谐振又称电压谐振。在通信和电子技术中，传输的电压信号很弱，利用电压谐振现
23、象可获得较高的电压，但在电力工程中，这种高压有时会使电容器或电感线圈的绝缘被击穿而造成损坏，因此常常要避免谐振情况或接近谐振情况的发生。5.3.2 品质因数品质因数品质因数Q通常可定义为，在正弦稳态条件下，元件或谐振电路储能的最大值与其在一个周期内所消耗能量之比的2倍，即(5.3-11)一周期内消耗的能量储能的最大值2Q当考虑电感线圈的能量损耗时，其电路模型如图5.3-4(a)所示。如果通过它的电流 电感的储能为 i=2Icost tLItLitwL222cos)(21)(其最大储能为LI2。一周期内线圈电阻r所消耗的能量为I2rT=I2r/f(式中T为周期，f为频率)。根据定义式(5.3-1
24、1)，电感线圈的品质因数 (5.3-12)rLrfLrTILIQ2222图 5.3-4 线圈、电容器及其串联电路模型当考虑电容器的能量损耗时，其电路模型如图5.3-4(b)所示。如果电容的端电压 电容的储能为 tUucos2tCUtCutwC222cos)(21)(其储能的最大值为CU2，一周期内损耗电导G(G=1/R，这里G或R与电容相并联用大写R，以与串联电阻r相区别)所消耗的能量为U2GT=U2G/f。根据式(5.3-11)，电容器的品质因数 (5.3-13)CRGCGfCGTUCUQ2222 顺便指出，电容器的性能也常用损耗角或损耗角的正切来衡量，它与品质因数的关系是(5.3-14)Q
25、1tan 当用电感线圈与电容器组成串联谐振电路时，通常，电容器的损耗较电感线圈的损耗小很多，可以忽略不计，这时的串联谐振电路如图5.3-4(c)所示。下面讨论该谐振电路的能量关系。设谐振时电路中的电流为 tIrtUruiSS0000cos2cos2则电感的瞬时储能为 (5.3-15)tLILiwL0220200cos21谐振时电容电压的振幅为，其相位落后于电流，于是电容电压为 CI0022tUtCItCIuCC000000000sin2sin2)2cos(2电容瞬时储能为 (5.3-16)tCICtCUCuwCCC022000220200sin)(sin21串联谐振电路谐振时总的瞬时储能w0等
26、于两个储能元件的瞬时储能之和，即 (5.3-17)2020000CCLCULIwww谐振电路中任意时刻t的电磁能量恒为常数说明电路谐振时与激励源之间确实无能量交换。只是电容与电感之间存在电磁能量的相互交换。谐振时，电路中只有电阻r消耗能量，一周期内电阻r所消耗的能量为。根据定义式(5.3-11)，谐振电路谐振时的品质因数 (5.3-18)CrrLrLfrTILIQ00002020122比较式(5.3-18)和式(5.3-8)，可看出二者相同。由此可见，谐振电路的Q值实质上描述了谐振时电路的储能和耗能之比。必须指出，谐振电路的品质因数仅在谐振时才有意绣，在失谐情况下，式(5.3-18)不再适用。
27、这就是说，计算电路Q值时应该用谐振角频率0。5.3.3 频率响应频率响应前面讨论了串联谐振电路谐振时的特点，这里进一步研究串联谐振电路电流的频率特性。图5.3-1电路中的电流为(5.3-19)(j1)1(j11)1j(000000QUHLCrLUrCLrUISSS200200)(j)(j)(jQUQHS式中H0=1/r。因此，电路电流的频率响应为 (5.3-20)200200)(j)(j)(j)(jQQHUIHS与式(5.2-10)或式(5.2-13)比较可见，它是一个带通函数。其幅频和相频特性分别为式(5.2-14)和(5.2-15)，截止频率为式(5.2-18)和(5.2-19)；通频带宽
28、B为式(5.2-20)。把Q=0L/r 代入式(5.2-20a)，可得串联谐振电路的带宽(用角频率表示)(5.3-21)rad/s 0LrQB图 5.3-5 rLC串联谐振电路的频率响应由图5.3-5(a)可见，谐振电路对频率具有选择性，其Q值越高，幅频曲线越尖锐，电路对偏离谐振频率的信号的抑制能力越强，电路的选择性越好，因此在电子线路中常用谐振电路从许多不同频率的各种信号中选择所需要的信号。可是，实际信号都占有一定的频带宽度，由于通频带宽与Q成反比，因而Q过高，电路带宽则过窄，这样将会过多地削弱所需信号中的主要频率分量，从而引起严重失真。例例 5.3-1 一串联谐振电路，L=50 H，C=2
29、00 pF，回路品质因数Q=50，电源电压 Us=1 mV，求电路的谐振频率、谐振时回路中的电流I0和电容上的电压UC0以及带宽B。解解 由式(5.3-5)可求得电路的谐振频率 MHz 59.11059.1 102001050212161260LCf为求出谐振时的电流，可先求出回路的损耗电阻r。由式(5.3-8)可得 101020010505011126CLQr所以谐振时的电流 谐振时电容电压 mA 1.0101030rUISUC0=Q US=5010-3=50mV即为电源电压Us的50倍。电路的带宽 kHz 8.31108.31501059.1360QfB5.4 并联谐振电路并联谐振电路 5
30、.4.1 GCL并联谐振并联谐振图5.4-1是GCL并联谐振电路，它是图5.3-1 rLC串联谐振电路的对偶电路，因此它的一些结果都可由串联谐振电路对偶地得出。对此，下面将作简略的讨论。图5.4-1并联谐振电路的总导纳为(5.4-1)Y=G+j B=G+j(C L1)图 5.4-1 GLC并联电路当电纳 B=0 时，电路的端电压与激励同相，称为并联谐振。这时的频率称为并联谐振频率，用f0表示，角频率用0表示。于是在并联谐振时有 B=0 C L01=0 可得谐振角频率0和频率f0为 (5.4-2)LCfLC21100在并联谐振时，由于B=0，故谐振导纳(5.4-3)这时导纳为最小值，且为电阻性，
31、而谐振阻抗(5.4-4)为最大值，且为电阻性。Y0=G=R1 RGYZ1100谐振时，感纳 1/(0L)与容纳0C相等，因而感抗0L和1/(0C)也相等，称为谐振电路的特性阻抗，即(5.4-5)CLCL001并联谐振电路的品质因数(见式5.3-13)为(5.4-6)谐振时，回路的端电压(5.4-7)LRCRGCQ000SSSIRIGYIU10为最大值。这时各支路电流分别为 (5.4-8)可见，并联谐振时，电容电流和电感电流的模值都等于QIs，但相位相反，故相互抵消(参见图5.4 2(b)。根据这一特点，并联谐振也称为电流谐振。这时电源电流全部通过电导G，电导电流IG达最大值。SSSSLCSSG
32、IQILRULIQIGCUCIIIIGGUGIjj1jjjj10000000在不同频率时，各支路电流与电压的相量关系如图5.4-2所示。由图可见，当0时，C0时，C 1/(L)，电纳B为正值，电路呈电容性，电压落后于电流，如图5.4-2(c)所示。USIUSIUSI图 5.4-2 GLC并联电路的相量图对并联谐振电路，我们常研究以端电压为输出的频率响应。对图5.4-1所示的谐振电路，其端电压为(5.4-9)(j1)1(j11)1j(00000QIRLCGCIGLCGIYIUSSSS200200)(j)(j)(jQIQHS式中H0=R=1/G。因此，并联谐振电路电压的频率响应为(5.4-10)2
33、00200)(j)(j)(j)(jQQHIUHS可见式(5.4-10)与式(5.3-20)形式相同，也是带通函数；其幅频和相频特性曲线与图5.3-5(a)和(b)的曲线完全相同；截止频率仍为式(5.2-18)和(5.2-19)；通频带宽B为式(5.2-20)。把Q=0C/G 代入式(5.2-20a)，可得并联谐振电路的带宽(用角频率表示)(5.4-11)rad/s 10RCCGQB5.4.2 实用的简单并联谐振电路实用的简单并联谐振电路电子技术中实用的并联谐振电路常具有图5.4-3所示的形式，其中r是电感线圈的损耗电阻，一般电容的损耗很小，这里忽略不计。通常，谐振电路的Q值较高(Q1)，并且工
34、作于谐振频率附近，这时图5.4-3的电路可等效为图5.4-1的简单并联谐振电路。图 5.4-3 实际的并联谐振电路图5.4-3电路的总导纳为 2222)(j)(jj1LrLCLrrCLrY当回路的品质因数Q较高，即r2(L)2 时，上式的分母中r2可以略去，于是得电路的导纳(5.4-12)1j()1j()(2LCGLCLrY在谐振频率附近，即0，上式中电导 (5.4-13)LCrLrLrRG202)()(1式(5.4-12)正是图5.4-1电路的总导纳(见式5.4-1)。这表明，图5.4-1的电路与图5.4-3的电路，在谐振频率附近且Q值较高时是相互等效的。在相互变换时，L和C不变，串联于回路
35、中的电阻r(见图5.4-4(a)可以变换为并联于回路两端的电阻R(电导G)，如图5.4-4(b)所示；同样地，并联于回路两端的电阻R，也可变换为串联于回路中的电阻r。由式(5.4-13)，它们相互变换的关系为(5.4-14)CRLrCrLR 图5.4-4(a)和(b)电路的品质因数的计算公式分别为 (5.4-15)LRCRLCRRQCrrLCLrrQ000011图 5.4-4 高Q等效电路例例5.4-1 图5.4-5是某放大器的简化电路，其中电源电压Us=12 V，内阻Rs=60k并联谐振电路的L=54 H，C=90pF，r=9；电路的负载是阻容并联电路，其中RL=60 k，CL=10 pF。
36、如整个电路已对电源频率谐振，求谐振频率、RL两端的电压和整个电路的有载品质因数QL。图 5.4-5 例5.4-1图解解 将电压源与Rs相串联的支路变换为电流源与电阻并联，将谐振电路变换为GCL并联电路，于是得出图5.4-5电路的等效电路如图5.4-6(a)所示，将有关元件并联，得图5.4-6(b)所示的电路。图中Gs=1/Rs，GL=1/RL。由于 C=C+CL=90+10=100 pF故并联电路的谐振阻抗 41260010691010010541CrLGRmA.201060123SSSRUI图 5.4-6 例5.4-1电路的等效图5.4-6(b)中，总电导 电阻SRRRGGGGLSLS500
37、105111k 201GR根据图5.4-6(b)可求得电路的谐振频率 R的端电压也就是RL两端的电压 由式(5.4-15)，可得整个电路的有载品质因数 MHz.17210100105421211260LCfU=IS R=0.2 10 3 20 103=4 V2.2710541010010206123LLCRQ5.4.3 复杂并联谐振电路复杂并联谐振电路在电子技术中，除使用简单的串联或并联谐振电路外，还常采用双电感或双电容的并联谐振电路，如图5.4-7(a)和(b)所示(图中损耗电阻未画出)。考虑损耗电阻的双电感和双电容电路可归纳为图5.4-7(c)所示的一般形式，统称为复杂并联谐振电路。图 5
38、.4-7 复杂并联谐振电路图5.4-7(c)电路的总导纳222222121122222212112211jj1j1XrXXrXXrrXrrXrXrY如果回路的Q值较高，即有，上式分母中的和均可以略去，得总导纳为(5.4-16)22222121,XrXr21r22rBGXXXrXrYj11j21222211电路发生谐振时，电纳等于零，即 式中X10、X20分别为谐振时支路1和支路2的电抗，由上式有(5.4-17)011201020102010XXXXXXBX10+X20=0 即电路发生并联谐振时，总电抗近似等于零。对于图5.4-7(a)所示的双电感电路，如果L1与L2间的互感M=0，则X10=0
39、L1，X20=0L2-1/(0C)，将它们代入式(5.4-17)，得0102010CLL可解得并联谐振频率f0和角频率0分别为(5.4-18)LCfLC21100式中，L=L1+L2 是回路的总电感。如果L1与L2之间的互感为M，则总电感L=L1+L2+2M。对于图5.4-8(b)所示的双电容电路，可求得其谐振频率的表达式与式(5.4-18)相同，只是式中C(C=C1C2/(C1+C2)是回路中C1与C2串联后的总电容。(5.4-19)顺便指出，对于图5.4-8(a)所示的双电感电路，支路2中L2与C也能发生串联谐振。若M=0，其谐振角频率令为，则 30CL2031由于L20(0为并联谐振角频
40、率)；对于图5.4-8(b)所示的双电容电路，支路2中C2和L也能发生串联谐振，其谐振角频率 03 (5.4-20)2011LC由于C2C(C=C1C2/(C1+C2)，所以0。由式(5.4-17)可知，当谐振时X10=-X20，即支路1的电抗与支路2的电抗大小相等，符号相反。因此，当回路Q值较高时，支路1的谐振电流与支路2的谐振电流也几乎大小相等，相位相反。故与在谐振回路中可看做是回路电流 ，如图5.4-8(a)和(b)所示。01 10I20I)(201000IIII图 5.4-8 谐振时的电流与电压双电感或双电容并联谐振电路，实际是将电感或电容一分为二，将信号源或/和负载接在一部分电感或电
41、容上，以便使电路匹配。当回路Q值较高，计算谐振频率附近的各量值时，在工程上常使用功率平衡的观点进行近似计算，实践表明用这种方法在Q较高时是足够准确的。设回路总电感或总电容的端电压为，支路1的端电压为，如图5.4-8(a)和(b)所示。U1U由于在LC回路中有回路电流，因而可以近似地认为:对于图5.4-8(a)，L1的端电压与L2的端电压同相，从而与也同相；对于图5.4-8(b)，C1的端电压与C2的端电压同相，从而与也同相。我们将有效值U1与U之比定义为变换系数或接入系数，用m表示，即(5.4-21)20100III1UUUUm1defU1U(5.4-22)由于流过L1和L2(或C1和C2)的
42、是同一电流，因而上式也可写为 0I同性质的总电抗回路中与1010XXm 对于图5.4-8(a)所示的双电感电路，如L1与L2之间的互感M=0，则根据上式有(5.4-23)LLLLLm1211)(式中L=L1+L2。如果L1与L2间有互感M，则(5.4-24)式中L=L1+L2+2M(一般L1和L2的绕向相同，其同名端如图5.4-8(a)所示)。如L1与L2为全耦合，L1为N1匝，L2为N2匝，线圈总匝数N=N1+N2，则(5.4-25)LMLm1NNm1对于图5.4-8(b)所示的双电容电路，其变换系数 (5.4-26)式中，。若LC回路两端的谐振阻抗(见式5.4-13)为(5.4-27)11
43、11CCCCm2121CCCCCCrLZ 0式中r为LC回路的总电阻。如支路1的电阻为r1，支路2的电阻为r2，则r=r1+r2。设从支路1的端口向内视入的谐振阻抗为Z0m，如图5.4-8所示，则二者吸收的功率应该相等，即02021ZUZUm于是得(5.4-28)CrLmZUUZm20210实际上，将谐振条件B=0，X10=-X20代入式(5.4-16)也可得到以上相同的结果。式(5.4-28)给我们以启示，为了使回路谐振阻抗与信号源内阻(或负载)相匹配，我们可以不改变谐振回路的元件参数值，而通过变换系数m来实现。如图5.4-9(a)和(b)所示的电路，电阻r(它可能是电源内阻或负载电阻)接在
44、电感L的抽头或电容C1上，设其接入系数(变换系数)为m。我们试图将图5.4-9(a)或(b)的电阻r变换接到LC回路的两端，如图5.4-9(c)所示。图 5.4-9 谐振时的电阻的等效图5.4-9(a)或(b)中，在谐振时，电阻r吸收的功率为/r，图5.4-9(c)中电阻r吸收的功率为U2/r，二者应该相等，于是有 21U221rUrU由此可得(5.4-29)显然，如果想把接于LC回路两端的电阻r变换到接入系数为m处的电阻r，则有 r=m2r(5.4-30)rmrUUr2211 如果信号源接在部分电抗处，如图5.4-10(a)和(b)所示。我们试图把它变换到LC回路的两端，如图5.4-10(c
45、)所示。由于在谐振时，谐振电路的阻抗为纯电阻性，因此与同相，也与同相。根据谐振时功率相等的原理，可得电源发出的功率为 SIUSI1UU1 IS=U SI于是有 (5.4-31)SSSmIIUUI1如果想把接于LC回路两端的电流源变换到接入系数为m处的电流源，则有 (5.4-32)SISI1SSImI图 5.4-10 谐振时电流源的等效例例 5.4-2 某中频放大器的简化电路如图5.4-11(a)所示。已知Is=60A，r1=32k;LC谐振回路本身的品质因数Q=117，L=586 H，C=200pF，变换系数m1=0.4,m2=0.04；负载电阻r2=320。若电路对电源频率(f=465 kH
46、z)谐振，求流过电阻r2的电流I2。图 5.4-11 例5.4-2图解解 将图5.4-11(a)所示的电路变换为图5.4-11(b)所示的电路。由式(5.4-29)和(5.4-31)可得k 020)4.0(10321231211rmrk 002)04.0(320122222rmrA 2410604.061SSImI并联谐振电路本身的谐振阻抗 k 020102001058511712600CLQCrLRZ所以图5.4-11(b)所示的电路又可简化为图(c)所示的电路。电阻、R0与相并联，得总电阻 1r2rk 7.661111201rRrR回路端电压 r2上的电压 故 U=R IS=66.7103
47、2410 6=1.6 V U2=m2 U=0.041.6=0.064 V A 020102320064.04222rUI或者，由图5.4-11(c)，考虑到，可得流过 的电流 r1=R0=r2 A 81024313162SII按照功率平衡的原理，可求得与式(5.4-32)相似的关系，得 A 02010804.0116222ImI图 5.4-12 例5.4-3图例例 5.4-3 图5.4-12所示的滤波器能够阻止信号的基波通至负载RL，同时能够使十次谐波顺利地通至负载。设C=0.01 F，基波的角频率=105rad/s，求电感L1和L2。解解 由于基波不能通过，表示电路中某一局部电路对基波产生谐
48、振而导致断路。由图可见，当L1和C并联电路对基波发生并联谐振时，其谐振阻抗为无穷大，从而导致断路。故有 CL11解得 又因为十次谐波能够顺利通过，相当于十次谐波信号直接加到负载RL上，表示L1、C并联再和L2串联的组合对十次谐波发生了谐振，这时谐振阻抗为零，该组合相当于短路，故有 H 01.01001.0)10(1162521CL0101j10j11012LCLj将L1=0.01 H，=105rad/s，C=0.01F代入上式，可得L2=101H。5.5 应用实例应用实例5.5.1 低音音量控制电路低音音量控制电路 在音响设备中一般都分别设有低音(bass)和高音(treble)等相互独立的调
49、节旋钮，以便用户进行适当的音量控制。下面仅讨论低音音量控制电路。音频是指20 Hz20kHz频率范围内的信号，低音是指20300 Hz范围内的信号。图5.5-1(a)为实用的低音控制电路，其中R1为可调电位器，重点分析其频率响应。在a、b、c三个节点处，考虑运放的虚短()和虚断特性，列出节点电压方程为 0cU2112jj)1(11RUUCUCRRiba0jj112112RUUCUCRRoab0)1()1(11RURUba联立求解以上三个方程，得 当=0.5时，H(j)=-1(5.5-1)1211212112j)1(j)(jCRRRRCRRRRUUHio当=1时，(5.5-2)当=0时，(5.5
50、-3)121212112jj)(jCRRRCRRRRH121121212jj)(jCRRRRCRRRUUHio比较式(5.5-2)和(5.5-3)，可见两者是倒数的关系，即这种倒数关系对为其它值时也成立，如=0.6与=0.4时，也有 01)(j1)(jHH4.012112121126.0)(j1j4.0j6.0)(jHCRRRRCRRRRH 图5.5-1(a)所示电路的幅频特性(用分贝(dB)表示)如图5.5-1(b)所示。从图5.5-1(b)中可以看出:(1)当=0.5时，幅频特性的分贝值对所有频率都为0，电路是一个增益为1的全通电路。(2)当频率比较高时，所有特性曲线都接近0 dB，因此该
