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基础高频电路

基础高频电路

基本知识:
Q:品质因数,指电路的选频能力
\(\omega\):角速度,关于频率公式:\(\omega = 2 \pi \times f\)
\(\omega_0\):谐振频率的角速度,指该频率下电路阻抗为最小(即既无感性也无容性)

电感元件的高频特性

品质因数\(Q_L\)的计算

  • \(Q_{L(Serial)} = \frac{I^2 \omega_0LT}{I^2(r + r_0)T} = \frac{\omega_0 L}{r_{\Sigma}} \rightarrow \frac{X}{R}\)
  • \(Q_{L(Parrallel)} = \frac{\frac{U^2}{\omega_0L}}{\frac{U^2T}{r_{\Sigma}}} = \frac{1}{\omega_0Lg_{\Sigma}} \rightarrow \frac{R}{X}\)

\(r_0\):电容损耗电阻,高频范围内会产生损耗
\(g\):电导,即电阻倒数

电容元件的高频特性

  • 高频范围内,电容元件等效为理想的无损耗元件

LC谐振回路

LC串联谐振回路

LC电路

img

  • (a)图高频状态下可等效为(b)图,阻抗\(Z = r_0 + j(\omega L - \frac{1}{\omega C})\)
    \(\rightarrow \text{当} \omega L = \frac{1}{\omega C} \text{时,为谐振频率的角速度} (\omega \rightarrow \omega_0)\)
    \(\omega_0^2 = \frac{1}{LC} \to \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}\)
  • 得空载品质因数\(Q_0 = \frac{\omega_0 L}{r} = \frac{\omega L}{r_0}\)

LCr电路

img

  • 阻抗
    \(Z = r_0 + r_L +j(\omega L - \frac{1}{\omega C})\)

$ \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}} $

\(有载品质因数Q_L = \frac{\omega_0 L}{r_\Sigma}= \frac{\omega_0L}{r_0 + r_L} = \frac{1}{\omega_0C(r_0 + r_L)}\)

  • \(\dot{I}(j\omega) = \frac{U}{r + j(\omega L - \frac{1}{\omega C})} r = r_\Sigma = r_0 + r_L\)
  • 谐振电流:\(\frac{\dot{I}(j\omega)}{\dot{I}(j\omega_0)} = \frac{1}{1 + jQ_L(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega})}\)
  • \(\omega \approx \omega_0, \Delta \omega = \omega - \omega_0\)
  • \(\rightarrow \text{广义失谐(偏离谐振状态的程度)} \Psi = Q_L (\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega}) = 2Q_L \frac{\Delta \omega}{\omega_0} = 2Q_L \frac{\Delta f}{f_0}\)

\(f_0\): 谐振频率
\(\Delta f\): 当前频率与谐振频率的差值

  • 综上所述,相对电流为\(\frac{\dot{I}(j\omega)}{\dot{I}(j\omega_0)} = \frac{1}{j \Psi}\),其模值为\(\frac{1}{\sqrt{1 + Q_L^2{(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega})}^2}}\),相角\(\Phi(\omega) = -arctan[Q_L(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega})]\)
  • 通频带\(B = 2f_{\Delta0.7} = \frac{f_0}{Q_L}\)

通频带通常取谐振状态下信号幅值\(\frac{1}{\sqrt{2}}\)倍的两端,\(\frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.7\)

LC并联谐振回路

LC电路

img

串并联阻抗变换
  • 可将电感的串联等效电阻\(r_0\)转化为并联的等效电阻\(R_0\),步骤如下
  • \(R_0 = (Q_0^2 + 1 )r_0 \approx Q_0^2r_0\)
  • \(Y = \frac{1}{r_0 + j\omega L} + j\omega C = G_0(\omega) + jB(\omega)\)

Y : 电导,阻抗倒数,单位为西门子(S) \(Y = \frac{1}{Z}\)

  • \(B(\omega) = 0 = \omega C - \frac{\omega L}{r_0^2 + \omega^2L^2}\)
  • \(\omega_0 \sqrt{1 - \frac{1}{Q_0^2}} \approx \omega_0\)

\(Q_0 >> 1\)

LCr电路

img

  • 电导\(g = g_0 + g_L = \frac{1}{R_0} + \frac{1}{R_L}\)
  • \(\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}\)
  • \(Q_L = \frac{1}{\omega_0 Lg} = \frac{R}{\omega L} = \frac{\omega_0C}{g}\)
  • 阻抗\(|Z(\omega)| = \frac{1}{Y} = \frac{R}{\sqrt{1 + Q_L^2{(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega})}^2}}\)
  • 相角\(\Phi(\omega) = -arctan Q_L(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega })\)

串并联变换电路

串并联阻抗等效互换

img

  • 等效即达到\(r_1 + jX_1 = \frac{R_2 \cdot jX_2}{R_2 + jX_2} \to r_1 + jX_1 = \frac{R_2 \cdot X_2^2}{R_2 + X_2^2} + j\frac{X_2 \cdot R_2^2}{R_2^2 + X_2^2}\)
  • 由上述公式可得

\[\displaystyle \left\{\begin{array}{l} r_1 = \frac{R_2 \cdot X_2^2}{R_2 + X_2^2} \\ X_1 = \frac{X_2 \cdot R_2^2}{R_2^2 + X_2^2} \end{array}\right.\]

  • 设串联等效电路品质因数为\(Q_1 = \frac{X_1}{r_1}\),并联等效电路的品质因数为\(Q_2 = \frac{R_2}{X_2}\)

  • \(Q_1 = \frac{X_1}{r_1} = \frac{\frac{X_2 \cdot R_2^2}{R_2^2 + X_2^2}}{\frac{R_2 \cdot X_2^2}{R_2 + X_2^2}} = \frac{R_2}{X_2} = Q_2 = Q\)
    \(r_1 = \frac{1}{1 + Q^2} R_2\)
  • 已知\(Q >> 1\)
    \(\to 得 r_1 \approx \frac{1}{Q^2} R_2 且X_1 \approx X_2\)
http://www.jsqmd.com/news/898768/

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