通信電子電路中的LC并聯(lián)諧振回路

摘 要：LC并聯(lián)諧振回路是通信電子電路中常用的單元電路。通過電路分析得出它的幅頻特性與相頻特性，認(rèn)為它在通信電子電路中的應(yīng)用主要有三種類型，即放大器的選頻匹配網(wǎng)絡(luò)、反饋式正弦波振蕩器的選頻反饋網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制與解調(diào)電路中的幅頻變換及頻相轉(zhuǎn)換器件。

關(guān)鍵詞：LC并聯(lián)諧振回路； 幅頻特性； 相頻特性； 正弦波振蕩器

中圖分類號(hào)：TN713+.2-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0190-03

LC Parallel Resonant Circuit in Communication Electronic Circuits

CUI Xiao1， ZHANG Song-wei2

(1. Zhengzhou Normal University， Zhengzhou 450044， China；

2. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management， Zhengzhou 450015， China)

Abstract： LC parallel resonant circuit is an unit circuit commonly used in communication electronic circuits. Its amplitude-frequency and phase-frequency characteristics were obtained by circuit analysis. The three main applications in communications electronic circuits are regarded as the frequency selection and matching network of amplifier， the frequency selection and feedback network of the sine wave oscillator， and the amplitude-frequency and frequency-phase converters in modulation and demodulation circuit.

Keywords： LC parallel resonant circuit; amplitude-frequency characteristic; phase-frequency characteristic; sine wave oscillator

LC并聯(lián)諧振回路是由電感線圈L、電容器C與外加信號(hào)源相互并聯(lián)組成的振蕩電路。在不同工作頻率的信號(hào)激勵(lì)下，LC并聯(lián)諧振回路表現(xiàn)出不同的阻抗幅頻特性和相頻特性。在通信電子電路中，它是一種應(yīng)用非常靈活的單元電路，在放大器、混頻器、正弦波振蕩器以及調(diào)制與解調(diào)等功能電路中， LC并聯(lián)諧振回路充當(dāng)著不同的角色。

1 LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性和相頻特性

圖1所示為典型的LC并聯(lián)諧振回路。其中，r代表線圈L的等效損耗電阻。

1.1 諧振

根據(jù)回路諧振時(shí)，其等效阻抗為純電阻，可以得到諧振時(shí)ω0L=1/(ω0C)，由此求得諧振頻率ω0=1/LC，或者f0=12πLC。

此時(shí)，并聯(lián)諧振回路的電壓與電流同相，電阻RP是純電阻，并達(dá)到最大值。

1.2 失諧

通常，諧振回路主要工作在其諧振頻率ω0的附近，因此，研究其失諧特性也主要研究其在ω0附近的頻率特性。在高頻電路中，當(dāng)ω十分接近ω0時(shí)，設(shè)Δω=ω－ω0，式(2)可變換為:

1.3 LC并聯(lián)諧振回路阻抗特性總結(jié)

由上述分析可知，LC并聯(lián)諧振回路的主要特點(diǎn)是：

(1) 當(dāng)ω=ω0時(shí)，回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路阻抗為最大值，是純電阻，相移為0；當(dāng)ω<ω0時(shí)，回路失諧，此時(shí)回路呈感性，相移為正，且最大值趨于90°;當(dāng)ω>ω0時(shí)，回路失諧，此時(shí)回路呈容性，相移為負(fù)，且最大值趨于-90°。

(2) 它的相頻特性曲線位于第二、四象限，在中心頻率附近相頻特性曲線具有負(fù)斜率。

2 LC并聯(lián)諧振回路在通信電子電路中的應(yīng)用

LC并聯(lián)諧振回路在通信電子電路中的應(yīng)用由它的特點(diǎn)決定。具體說來，主要包括三大類，其一是工作于諧振狀態(tài)，作為選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，此時(shí)呈現(xiàn)為大的電阻，在電流的激勵(lì)下輸出較大的電壓；其二是工作于失諧狀態(tài)，此時(shí)呈現(xiàn)為感性或容性，與電路中其他電感和電容一起，滿足三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩條件，形成正弦波振蕩器；其三是工作于失諧狀態(tài)，即工作于幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側(cè)，實(shí)現(xiàn)幅頻變換、頻幅變換以及頻相變換、相頻變換，構(gòu)成角度調(diào)制與解調(diào)電路。

2.1 用作選頻匹配網(wǎng)絡(luò)的LC并聯(lián)諧振回路

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。在通信電子電路中，LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)而使用是最普遍的，它廣泛地應(yīng)用于高頻小信號(hào)放大器、丙類高頻功率放大器、混頻器等電路中。這些電路的共同特點(diǎn)是：LC諧振回路不僅是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，通過變壓器連接方式，還起到阻抗變換的作用，減小放大管或負(fù)載對(duì)諧振回路的影響，可獲得較好的選擇性。

由于LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)功能相似，本文著重介紹高頻小信號(hào)諧振放大器。高頻小信號(hào)選頻放大器用來從眾多的微弱信號(hào)中選出有用頻率信號(hào)加以放大，并對(duì)其他無用頻率信號(hào)予以抑制，它廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備的接收機(jī)中。單調(diào)諧放大器電路及交流通路，如圖3所示。

在圖3中，LC并聯(lián)諧振回路作為晶體管集電極負(fù)載，它調(diào)諧于放大器的中心頻率。在聯(lián)接方式上，LC回路通過自耦變壓器與本級(jí)集電極電路進(jìn)行聯(lián)接，與下一級(jí)的聯(lián)接則采用變壓器耦合。

其作用是：通過自耦變壓器耦合形式可將集電極所要求的負(fù)載變換成較大的負(fù)載，從而減小對(duì)LC并聯(lián)諧振回路中品質(zhì)因數(shù)的影響；與下一級(jí)的變壓器耦合聯(lián)接則可以減小下一級(jí)晶體管輸入導(dǎo)納YL對(duì)LC諧振回路的影響，同時(shí)，適當(dāng)選擇初級(jí)線圈的抽頭位置以及初次級(jí)線圈的匝數(shù)比，可使負(fù)載導(dǎo)納與晶體管的輸出導(dǎo)納相匹配，以獲得較大的功率增益。

2.2 正弦波振蕩器中使用的LC并聯(lián)諧振回路

正弦波振蕩器在通信電路中有著廣泛的應(yīng)用，如無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來產(chǎn)生所需要的載波和本機(jī)振蕩信號(hào)。反饋振蕩器是一種常用的正弦波振蕩器，LC并聯(lián)諧振回路在正弦波振蕩器中有兩類應(yīng)用：一是作為變壓器耦合LC振蕩器或者三點(diǎn)式振蕩器的選頻反饋網(wǎng)絡(luò)；二是在石英晶體泛音振蕩器中作為電容和晶體等共同構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩器。

2.2.1 作為正弦波振蕩器選頻反饋網(wǎng)絡(luò)的LC并聯(lián)諧振回路

如圖4所示，圖4(a)為共基極變壓器反饋式LC振蕩器，圖4(b)是三點(diǎn)式振蕩器電路的基本形式。

在這類反饋振蕩器電路中，把反饋電壓作為輸入電壓，LC并聯(lián)諧振回路主要作為選頻反饋網(wǎng)絡(luò)使用。輸出端的信號(hào)被反饋至輸入端，且反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同，形成閉環(huán)正反饋，從而不需要外加信號(hào)激勵(lì)就可產(chǎn)生輸出信號(hào)，產(chǎn)生自激振蕩。

在滿足振蕩起振相位條件的同時(shí)，LC振蕩器還可實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定，當(dāng)相位平衡條件被破壞時(shí)，在LC振蕩器的作用下，線路能重新建立起相位平衡點(diǎn)。這是由于相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)上是一回事，因?yàn)棣?dφdt，相位的變化必然引起頻率的變化，相位超前導(dǎo)致頻率升高，相位滯后導(dǎo)致頻率降低，因此頻率隨相位變化可表示為dωdφ>0。

振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振回路，由圖2(b)可知，在振蕩頻率附近，它具有負(fù)的斜率，即頻率與相位的變化趨勢(shì)相反。當(dāng)振蕩頻率發(fā)生變化的同時(shí)，LC諧振回路中產(chǎn)生一個(gè)新的相位，用以抵消這個(gè)由于外界原因引起的變化，從而保持相位平衡點(diǎn)的穩(wěn)定。

2.2.2 作為電容構(gòu)成泛音晶體振蕩器的LC并聯(lián)諧振回路

在外加交變電壓的作用下，石英晶片產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)中，除了基頻的機(jī)械振動(dòng)外，還有許多奇次頻率的泛音。當(dāng)需要工作頻率很高的晶體振蕩器時(shí)，多使用泛音晶體振蕩器。圖5所示為泛音晶體振蕩器。

圖5中石英晶體與CL支路呈電感特性，以石英晶體、C2以及L1C1回路一起構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩器，根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器的組成原則(射同它異)，L1C1諧振回路應(yīng)呈容性。假定圖中石英晶體工作在5次泛音頻率上，標(biāo)稱頻率為5 MHz，為了抑制基頻和3次泛音的寄生振蕩，L1C1回路應(yīng)調(diào)諧在3次和5次泛音頻率之間，即3~5 MHz之間。由圖5(b)所示的L1C1諧振回路電抗特性曲線可知，對(duì)于5次泛音頻率5 MHz，L1C1回路呈容性，電路滿足三點(diǎn)式振蕩條件，可以振蕩。對(duì)于小于L1C1回路諧振頻率的基波和3次諧波，回路呈電感特性，不符合射同它異的組成原則，不能產(chǎn)生振蕩。對(duì)于7次及7次以上的泛音，雖然L1C1回路也呈容性，但此時(shí)的等效電容過大，振幅起振條件不能滿足，振蕩也無法產(chǎn)生。

2.3 實(shí)現(xiàn)幅頻變換和頻相轉(zhuǎn)換功能的LC并聯(lián)諧振回路

LC并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性是一條具有負(fù)斜率的單調(diào)變化曲線，利用曲線中，線性部分可以進(jìn)行頻率與相位的線性轉(zhuǎn)換，這主要應(yīng)用在相位鑒頻電路中；同樣，LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也可以進(jìn)行頻率與幅度的線性轉(zhuǎn)換，因而在斜率鑒頻電路中也得到了應(yīng)用。

以斜率鑒頻器為例，如圖6所示，圖6(a)是諧振回路的輸入電流與輸出電壓。圖6(b)是其中的頻率-振幅變換原理。圖6(c)為單失諧回路鑒頻器原理圖。

調(diào)頻信號(hào)的電流是等幅、頻率隨調(diào)制信號(hào)變化的電流。當(dāng)此電流通過斜率鑒頻器的頻率-振幅變換網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為f0，輸入的高頻信號(hào)使LC網(wǎng)絡(luò)一直處于失諧狀態(tài)，即工作于諧振曲線上以A為中心的BC之間的區(qū)域。當(dāng)輸入信號(hào)頻率增大時(shí)，工作點(diǎn)由A向C移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓由Uma減小為Umc；反之，當(dāng)輸入信號(hào)頻率減小時(shí)，工作點(diǎn)由A向B移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓由Uma增大為Umb。當(dāng)輸入信號(hào)最大頻偏Δfm變化不大時(shí)，線段BC很短，可近似看作直線，因此它所產(chǎn)生的頻率-振幅變換作用是線性，輸出電壓振幅的變化與輸入信號(hào)頻率的變化呈線性關(guān)系。因此網(wǎng)絡(luò)可以將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過二極管包絡(luò)檢波器就能夠解調(diào)出輸出信號(hào)。

3 結(jié) 語(yǔ)

LC并聯(lián)諧振回路是通信電子電路中經(jīng)常用到的單元電路，理解它在不同情況下所表現(xiàn)出來的特性，靈活掌握它的應(yīng)用，對(duì)于分析整個(gè)電路的性能具有重要作用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］顧寶良.通信電子線路［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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［5］李小珉，許炎義，解鋒，等.LC振蕩器教學(xué)難點(diǎn)解析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(5)：58-59.

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［10］余萍，李然，賈惠彬.通信電子電路［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：

崔 曉 女，1972年出生，河南孟州人，講師，碩士。主要從事通信信號(hào)處理的研究工作。

張松煒 男，1971年出生，河南義馬人，講師，碩士。主要從事通信網(wǎng)與信令技術(shù)及弱信號(hào)檢測(cè)與處理的研究工作。