LC谐振电路也时常参与负反馈电路中,这时要首先掌握LC谐振电路的阻抗特性。
图1-134所示是LC并联谐振电路。电路中的L1和C1构成LC并联谐振电路,R1是线圈L1的直流电阻, I s 是交流信号源,这是一个恒流源。所谓恒流源就是输出电流不随负载大小的变化而变化的电源。为了便于讨论LC并联电路可忽略线圈电阻R1。
LC并联谐振电路的谐振频率为 f 0 , f 0 的计算公式与自由谐振电路中的计算公式一样。
必须掌握LC谐振电路的主要特性,这些特性是分析由LC并联谐振电路构成的各种单元电路和功能电路的依据。
LC并联谐振电路的阻抗可以等效成一个电阻,这是一个特殊电阻,它的阻值大小是随频率高低变化而变化的。这种等效可以方便对电路工作原理的理解。
图1-135所示是LC并联谐振电路的阻抗特性曲线。图中, x 轴方向为LC并联谐振电路的输入信号频率, y 轴方向为该电路的阻抗。从图中可以看出,这一阻抗特性是以谐振频率 f 0 为中心轴,左右对称,曲线上面窄,下面宽。
对LC并联谐振电路的阻抗进行分析,要将输入信号频率分成几种情况。
图1-134 LC并联谐振电路
图1-135 LC并联谐振电路的阻抗特性曲线
当输入信号 I s 的频率等于该电路的谐振频率 f 0 时,LC并联电路发生谐振,此时谐振电路的阻抗达到最大,并且为纯阻性,即相当于一个阻值很大的纯电阻,其值为 Q 2 R 1 ( Q 为品质因数,是表征振荡质量的一个参数),如图1-136所示。
图1-136 输入信号 I s 频率等于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线示意图
如果线圈L1的直流电阻 R 1 为零的话,此时LC并联谐振电路的阻抗为无穷大,如图中虚线所示。
26.RC串联电路2
要记住LC并联电路的一个重要特性:并联谐振时电路的阻抗达到最大。
当输入信号频率高于谐振频率 f 0 时,LC谐振电路处于失谐状态,电路的阻抗下降(比电路谐振时的阻抗有所减小),而且信号频率越是高于谐振频率,LC并联谐振电路的阻抗越小,并且此时LC并联电路的阻抗呈容性,如图1-137所示,等效成一个电容。
图1-137 输入信号频率高于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线示意图
输入信号频率高于谐振频率后,LC并联谐振电路等效成一只电容,可以这么去理解: 在LC并联谐振电路中,当输入信号频率升高后,电容C1的容抗在减小,而电感L1的感抗在增大,容抗和感抗是并联的。
由并联电路的特性可知,并联电路中起主要作用的是阻抗小的一个,所以当输入信号频率高于谐振频率之后,这一并联谐振电路中的电容C1的容抗小,起主要作用,整个电路相当于是一个电容,但等效电容的容量大小不等于 C 1 。
当输入信号频率低于谐振频率 f 0 后,LC并联谐振电路也处于失谐状态,谐振电路的阻抗也要减小(比谐振时小),而且是信号频率越低于谐振频率,电路的阻抗越小,这一点从曲线中可以看出。信号频率低于谐振频率时,LC并联谐振电路的阻抗为感性,电路等效成一个电感(但电感量大小不等于 L 1 ),如图1-138所示。
图1-138 输入信号频率低于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线示意图
在输入信号频率低于谐振频率后,LC并联谐振电路等效成一只电感可以这么去理解:由于信号频率降低,电感L1的感抗减小,而电容C1的容抗则增大,感抗和容抗是并联的,L1和C1并联后电路中起主要作用的是电感而不是电容,所以这时LC并联谐振电路等效成一只电感。
LC串联谐振电路是LC谐振电路中的另一种谐振电路。
图1-139所示是LC串联谐振电路。电路中的R1是线圈L1的直流电阻,也是这一LC串联谐振电路的阻尼电阻。电阻器是一个耗能元件,它在这里要消耗谐振信号的能量。L1与C1串联后再与信号源 U s 相并联,这里的信号源是一个恒压源。
图1-139 LC串联谐振电路
在LC串联谐振电路中,电阻R1的阻值越小,对谐振信号的能量消耗越小,谐振电路的品质也越好,电路的 Q 值也越高;当电路中的电感L1越大,存储的磁能也越多,在电路损耗一定时谐振电路的品质也越好,电路的 Q 值也越高。
电路中,信号源与LC串联谐振电路之间不存在能量的相互转换,只是电容C1和电感L1之间存在电能和磁能之间的相互转换。外加的输入信号只是补充由于电阻R1消耗电能而损耗的信号能量。
LC串联谐振电路的谐振频率计算公式与并联谐振电路一样。
图1-140所示是LC串联谐振电路阻抗特性曲线。
图1-140 LC串联谐振电路阻抗特性曲线
阻抗特性分析要将输入信号频率分成多种情况进行。
当信号频率等于LC串联谐振电路的谐振频率 f 0 时,电路发生串联谐振,串联谐振时电路的阻抗最小且为纯阻性(不为容性也不为感性),如图1-141所示,其值为 R 1 (纯阻性)。
图1-141 输入信号频率等于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线
当信号频率偏离LC谐振电路的谐振频率时,电路的阻抗均要增大,且频率偏离的量越大,电路的阻抗就越大,这一点恰好是与LC并联谐振电路相反的。
要记住:串联谐振时电路的阻抗最小。
当输入信号频率高于谐振频率时,LC串联谐振电路为感性,相当于一个电感(电感量大小不等于 L 1 ),如图1-142所示。
图1-142 输入信号频率高于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线
在L1和C1串联电路中,当信号频率高于谐振频率之后,由于频率升高,C1的容抗减小,而L1的感抗却增大,在串联电路中起主要作用的是阻抗大的一个元件,这样L1起主要作用,所以在输入信号频率高于谐振频率之后,LC串联谐振电路等效于一个电感。
当输入信号频率低于谐振频率时,LC串联谐振电路为容性,相当于一个电容(容量大小不等于 C 1 ),如图1-143所示。
图1-143 输入信号频率低于谐振频率 f 0 时阻抗特性曲线
当信号频率低于谐振频率之后,由于频率降低,C1的容抗增大,而L1的感抗却减小,这样在串联电路中起主要作用的是电容C1,所以在输入信号频率低于谐振频率时,LC串联谐振电路等效于一个电容。
图1-144所示是LC并联谐振电路参与的负反馈电路。电路中的VT1构成一级共发射极放大器,R3是VT1发射极负反馈电阻,L1和C3构成LC并联谐振电路,其谐振频率为 f 0 ,谐振电路并联在电阻R3上。
图1-144 LC并联谐振电路参与的负反馈电路
分析这一负反馈电路关键要搞清楚下列3点。
27.电阻并联电路1
(1)掌握并联谐振电路的阻抗特性。 L1和C3是并联谐振电路,要运用阻抗特性进行分析。
(2)将谐振电路看成一个整体。 在掌握了LC并联谐振电路阻抗特性后,将L1和C3看成一个整体,这样可以方便电路分析。
(3)R3与谐振电路并联。 R3与LC谐振电路是并联的,运用并联电路特性进行分析,并联电路中阻值小的是关键性元件。
对负反馈过程进行分析要运用LC并联谐振电路的阻抗特性和负反馈原理,下面介绍不同频段下的电路分析。
(1)直流电流。 从VT1发射极输出的直流电流全部通过L1到达地线,如图1-145所示,没有直流电流流过负反馈电阻R3,所以电阻R3对直流没有负反馈作用。
图1-145 直流电流回路示意图
(2)频率为 f 0 的信号。 从VT1发射极输出的频率为 f 0 的信号,由于L1和C3并联谐振电路对这一频率信号的阻抗远大于发射极电阻R3阻值,这样 f 0 信号不能通过L1和C3流到地线,只能流过负反馈电阻R3,如图1-146所示,所以R3对频率为 f 0 的信号存在负反馈,VT1放大器对频率为 f 0 的信号放大倍数小。
图1-146 频率为 f 0 信号回路示意图
(3)除 f 0 之外其他频率的信号。 从VT1发射极输出的频率高于或低于 f 0 的信号,由于L1和C3并联谐振电路的阻抗下降,低于发射极电阻R3的阻值,这样这部分信号通过L1和C3并联谐振电路流到地线,而没有流过发射极负反馈电阻R3,所以对这部分频率的信号不存在负反馈作用,VT1放大器对这部分频率信号的放大倍数明显增大。图1-147所示是频率高于或低于 f 0 信号电流回路示意图,频率高的从电容C3流过,频率低的从电感L1流过。
图1-147 频率高于或低于 f 0 信号电流回路示意图
这一放大器对频率为 f 0 的信号放大倍数明显低于对其他频率信号的放大倍数,所以这一放大器能够衰减频率为 f 0 的信号。
改变L1和C3并联谐振电路中的 L 1 或 C 3 的大小,可以改变这一并联谐振电路的谐振频率 f 0 ,从而可以改变VT1放大器所衰减信号的频率。
图1-148所示是LC串联谐振电路参与的负反馈电路。电路中的VT1构成一级共发射极放大器,R3是VT1发射极负反馈电阻,L1和C3构成LC串联谐振电路并联在电阻R3上。
图1-148 LC串联谐振电路参与的负反馈电路
结合LC串联谐振电路阻抗特性和负反馈原理,对不同频段下的电路分析如下。
由于L1和C3串联电路中有电容C3,不能通过直流电流,从VT1发射极输出的直流电流全部流过电阻R3,如图1-149所示,R3对直流具有负反馈作用。
L1和C3串联谐振电路对这一频率信号的阻抗远小于发射极电阻R3的阻值,这样,频率为 f 0 的信号通过L1和C3构成的LC串联谐振电路流到地线,如图1-150所示,而没有流过负反馈电阻R3,所以频率为 f 0 的信号不存在负反馈,VT1放大器对频率为 f 0 的信号放大倍数大。
图1-149 直流电流回路示意图
图1-150 频率为 f 0 的信号回路示意图
从VT1发射极输出频率高于或低于 f 0 的信号,L1和C3串联谐振电路的阻抗升高,高于发射极电阻R3的阻值,这样这部分信号不能流过L1和C3支路,而是流过了发射极负反馈电阻R3,如图1-151所示,所以对这部分频率的信号存在负反馈作用,VT1放大器对这部分频率信号的放大倍数明显减小。
图1-151 f 0 之外各频率信号回路
在一些中、高档组合音响的录放卡中,录音高频补偿电路采用负反馈式电路,此时,高频补偿电路设在录音输出级电路中。图1-152所示是分立元器件录音输出级放大器中的高频电路。电路中,三极管VT1为录音输出级放大管,L1和C3构成录音高频补偿电路,这是一个LC串联谐振电路,它并在VT1管发射极负反馈电阻R3上。
图1-152 负反馈式录音高频补偿电路
28.电阻并联电路2
这一电路的工作原理是:由于L1和C3电路的谐振频率落在录音信号上限频率之外,在L1和C3发生谐振时阻抗最小,相当于将录音高频段信号旁路,不经过负反馈电阻R3,使放大器在高频段的负反馈量减小,增益增大,这样从VT1管集电极输出的录音高频信号得到提升,达到高频补偿目的。
图1-153所示是集成电路录音放大器中的高频补偿电路。电路中的A1为录音输出级放大器,⑤脚是负反馈引脚,C1和R1是交流负反馈电路。
图1-153 集成电路录音放大器中的高频补偿电路
L1和C2是LC串联谐振电路。当该电路发生谐振时,L1和C2电路的阻抗最小,使A1的交流负反馈量减小,增益增大,从而达到提升录音高频信号的目的。