LC并聯回路在高頻線路中的應用

劉雪亭

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628040）

LC并聯諧振電路在無線電高頻設備中應用非常廣泛，是高頻電子線路中一個最常見的單元電路，是構成高頻放大器、振蕩器、變頻器以及各種濾波器的主要部件，起調諧或選頻、濾波作用，也可作為調制解調電路的變換網絡，完成不同功能的頻率線性和非線性變換電路。

1 LC并聯諧振電路的特性

由表1及圖1、2可知LC并聯諧振電路的特性是：回路處于諧振狀態時，回路阻抗最大，回路呈現為純電阻，因此并聯諧振回路的諧振時電壓最大；回路處于失諧狀態時，回路阻抗最小，回路呈現電容或電感，且相移不為零，有移相功能[1]。

表1 LC并聯諧振回路的基本特性Tab.1 The basic characteristics of the LC parallel resonance circuit

圖1 幅頻特性曲線Fig.1 Amplitude frequency characteristic curve

圖2 相頻特性曲線Fig.2 Phase frequency characteristic curve

2 LC并聯回路在高頻線路中的應用

從以上分析可知LC并聯回路主要有四大特性：選頻特性、頻幅轉換及頻相轉換、移相特性、阻抗變換和匹配特性等。

1）選頻特性

這是其最主要的特性，即從各種信號中選出有用頻率分量而抑制無用頻率分量或噪聲，也就是通過產生諧振，使得與諧振信號頻率相同的信號在放大時能獲得較大增益[2]。這種特性主要應用在小信號諧振放大器、諧振功率放大器、LC正弦波振蕩器、變頻電路及直接調頻電路中。

①高頻小信號諧振放大器

就是用LC并聯諧振回路作負載的放大器，它不僅能放大信號，還具有選頻、濾波作用，因而廣泛應用于廣播、電視、通信、雷達等接收設備中。而其具有的選頻、濾波作用正是LC并聯諧振回路來實現的。

如圖3所示的小信號諧振放大器在使用時，一般將放大器調諧在有用信號的中心頻率f0上，即使LC并聯回路發生諧振，此時放大器的電壓增益將達到最大值，說明該電路通過LC并聯諧振回路的作用具有選擇性的放大信號。

②高頻諧振功率放大器

該電路廣泛用于發射機、高頻加熱裝置和微波功率源等電子設備中。如圖4所示的高頻功率放大器由于輸出LC回路諧振于輸入信號的頻率，則它對ic的基波分量呈現很大阻抗，而對直流和各次諧波電流呈現的阻抗很小，可近似看成短路。因此，ic的各種成分中，只有基波分量才能在LC諧振回路兩端產生壓降[3]。可見，諧振回路具有從眾多電流分量中選取有用分量的作用，即選頻作用。LC諧振負載的作用是從失真的集電極電流脈沖中選出基波、濾除諧波，從而得到放大的、不失真的輸出電壓，完成對輸入信號的功率放大。

圖3 單調諧放大器的基本電路Fig.3 The basic circuit of single tuned amplifier

3）LC正弦波振蕩器

圖4 丙類諧振功率放大器Fig.4 Class C resonance power amplifier

選頻網絡采用LC諧振回路的LC正弦波振蕩器，常用于產生幾十千至一千兆赫茲左右的高頻信號。有變壓器反饋式LC振蕩器和三點式振蕩器。如圖5所示的變壓器反饋式LC振蕩器，LC諧振回路作為振蕩器的選頻網絡，其作用是從振蕩出的信號中選出某一特定頻率的信號輸出，其振蕩頻率等于選頻網絡的諧振頻率。振蕩器在這個頻率上自激出的信號幅度最大，易滿足振幅條件。此電路的φA=0°，從輸出電壓到反饋電壓也沒有反相，有φF=0°，滿足產生自激振蕩的相位平衡條件，即φAF=φA+φF=2nπ，滿足產生自激振蕩的相位平衡條件。這樣在LC的諧振頻率點上負載就能獲得單一頻率的正弦波。

在如圖6所示的三點式振蕩器中，LC諧振回路既作為振蕩器的選頻網絡，同時也作其反饋網絡。選頻網絡的作用與圖5電路相同，其振蕩器的振蕩頻率由LC中的電容和電感值決定，改變電路中的電容值可使其振蕩頻率在一定范圍內可調。LC諧振回路作為振蕩器的反饋網絡，其作用是在電路中引入一個正反饋，來滿足振蕩器的組成原則，即相位平衡條件，由圖6可知LC諧振回路的引入，確實滿足“射同集反”的組成原則[4]。

圖5 變壓器反饋式振蕩器Fig.5 The transformer feedback oscillator

圖6 三點式振蕩器Fig.6 Three point type oscillator

④變頻電路

該電路不但用于各種超外差式接收機中，而且還用于頻率合成器等電路或電子設備中。變頻電路應用最多的是三極管變頻電路，其優點是具有較高的變頻增益，常用于一般的接收機中。在圖7所示的電路中，混頻器是利用三極管的非線性特性實現變頻的，所以在變頻中除了產生有用的中頻信號外，還會產生許多無用信號的頻率，LC諧振回路的作用就是選擇出有用的中頻信號，濾除無用信號的頻率，從而在輸出端得到中頻信號。

⑤變容二極管直接調頻電路

該電路的優點是電路簡單，工作頻率高，易于獲得較大的頻偏，而且在頻偏較小的情況下，非線性失真可以很小。在廣播、電視和通信等領域中得到了廣泛應用。根據調頻信號的瞬時頻率隨調制信號成線性變化這一基本特性，可以將調制信號作為壓控振蕩器VCO的控制電壓，直接控制主振蕩回路元件的參數L或C，使其產生的振蕩頻率隨調制信號規律而變化，這就是直接調頻。圖8中變容二極管直接調頻電路由高頻LC振蕩器和低頻調制信號控制電路組成。將變容二極管接入LC正弦振蕩器的諧振回路中，便構成了變容二極管調頻電路。L和變容二極管組成諧振回路，虛方框為變容二極管的控制電路。將調制信號作為壓控振蕩器的控制電壓，直接控制主振蕩回路變容二極管的參數Cj，使其產生的振蕩頻率隨調制信號規律而變化，從而改變振蕩頻率，達到調頻的目的。壓控振蕩器的中心頻率即為載波頻率，輸出即為瞬時頻率隨調制信號成線性變化的調頻波。

圖7 三極管變頻電路Fig.7 Transistor frequency conversion circuit

圖8 變容二極管調頻電路Fig.8 Varactor frequencymodulation circuit

2）實現頻幅轉換、頻相轉換作用

LC并聯回路將頻率的變化轉換為振幅或相位的變化，其工作在失諧狀態，即工作在幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側，可以完成頻幅轉換、頻相轉換的功能[5]。這種變換特性主要應用在斜率鑒頻電路和相位鑒頻電路中。

①斜率鑒頻器

是利用頻幅轉換網絡將調頻信號轉換成調頻-調幅信號，然后再經過檢波電路取出原調制信號，其頻幅轉換網絡通常采用LC并聯回路，且工作于失諧狀態。

圖9是雙失諧回路鑒頻器的原理圖，它是由3個調諧回路組成的調頻-調幅變換電路和上下對稱的兩個振幅檢波器組成。初級回路諧振于調頻信號的中心頻率，其通帶較寬。次級兩個回路的諧振頻率分別為 ω01、ω02， 使 ω01、ω02與 ωc成對稱失諧，即 ωc-ω01=ω02-ωc。

圖10是雙失諧回路鑒頻器的幅頻特性，其中實線表示第一個回路的幅頻特性，虛線表示第二個回路的幅頻特性，這兩個幅頻特性對于ωc是對稱的。當輸入調頻信號的頻率為ωc時，兩個次級回路輸出電壓幅度相等，經檢波后輸出電壓為uo=uo1-u02=0。當輸入調頻信號的頻率由ωc向升高的方向偏離時，L2C2回路輸出電壓大，而L1C1回路輸出電壓小，則經檢波后uo=uo1-u02<0。當輸入調頻波信號的頻率由ωc向降低方向偏離時，L1C1回路輸出電壓大，L2C2回路輸出電壓小，經檢波后uo=uo1-u02>0。

圖9 雙失諧鑒頻器原理圖Fig.9 Double detuning frequency discriminator principle

圖10 雙失諧回路鑒頻器的特性Fig.10 Dual characteristics of loop discriminator

②相位鑒頻電路

先將輸入等幅調頻波通過線性網絡進行變換，使調頻波的瞬時頻率變化轉換為附加相移的變化，即進行FM-PM波變換[6]；再利用相位檢波器檢出所需要的調制信號。相位鑒頻器的關鍵是找到一個線性的頻率-相位變換網絡。其中頻率-相位變換網絡常采用LC單諧振回路來實現。

3）移相電路的功能

LC并聯諧振電路作為移相電路的作用，也工作在失諧狀態。由表1可知，當ff0時，LC并聯回路呈容性，其移相在 0至-π/2。這種移相作用主要應用調相電路中。圖11所示電路是單回路變容二極管調相電路。利用由電感L和變容二極管Cj組成的諧振回路可作為可控相移網絡，其諧振頻率隨變容二極管結電容變化而變化實現調相。

圖11 單回路變容二極管調相電路Fig.11 Single loop variable capacitance diode phasemodulation

圖12 諧振頻率變化產生附加相移Fig.12 frequency changes generate additional phase shift

當uΩ（t）>0時，變容二極管的負極電壓增大，其結電容減小，L與Cj組成諧振回路的諧振頻率增大，其相頻特性如圖12中的曲線①所示。這時諧振回路對ωc來說有一個正的附加相移 φ，輸出電壓的相位為（ωct+φ）。 當 uΩ（t）<0 時，變容二極管的反向偏壓減小，其結電容增大，L和Cj組成諧振回路的諧振頻率降低，其相頻特性如圖12中的曲線③所示。這時諧振回路對ωc來說有一個負的附加相移－φ，輸出電壓的相位為（ωct-φ）。 因為附加相移 φ 是由 uΩ（t）控制變容二極管而產生的。這樣輸出電壓的相位就隨uΩ（t）變化而變化，從而實現了調相。

4）阻抗變換和匹配電路

這種特性應用在高頻電子線路各個單元電路之中。如圖3單調諧放大器其負載ZL通過變壓器以部分接入方式與使LC回路相連，這樣接入的原因有3：①如果三極管的輸出與輸入導納直接并接于諧振回路兩端，將使回路Q值降低，增益下降。②當電路的分布參數和直流偏置發生變化時，將引起諧振頻率的變化，采用部分接入法可減小這種變化，提高穩定性。③通過改變LC回路中電感中心抽頭位置，實現阻抗變換，使放大器的前后級匹配。

3 結 論

我們在學習高頻電子線路時，往往會發現在許多不同單元功能電路中有著相似或相同的部分電路，而其又是整個電路的核心，如果我們能抓住這些“相同”電路的共性，對不同功能電路進行比較分析，則將會使我們的思路變得清晰，明了。而LC并聯諧振回路是整個高頻電子線路的核心電路，其特點決定了它在高頻電子線路的重要應用。該文以LC并聯回路作為主線，將高頻電子線路整個課程的內容形成一個網絡狀的知識體系進行分析和歸納，幫助讀者有效地掌握該課程的知識點，學會分析電路、設計電路，做到舉一反三、學以致用的目的。

[1]程遠東.高頻電子線路[M].1版.北京:北京出版社，2008.

[2]鄭應光.模擬電子線路 （二）[M].南京:東南大學出版社.2006.

[3]黃相杰，林佳才.LC諧振放大器的設計[J].電子設計工程，2013（5）:176-179.HUANGXiang-jie，LIN Jia-cai.LC resonantcircuitdesign of[J].Electronic Design Engineering，2013（5）:176-179.

[4]趙發.高頻電子線路課程教學改革研究[J].電子設計工程，2011（9）:109-110.ZHAO Fa.The course of high frequency electronic circuit eaching reform research on[J].Electronic Design Engineering，2011（9）:109-110.

[5]周鑫濤，詹鑫鑫.高增益LC諧振放大器的設計[J].電子技術，2012（4）:57-58.ZHOU Xin-tao，ZHAN Xin-xin.Design of Ahigh gain LC resonantamplifier[J].Electronic Technology，2012（4）:57-58.

[6]李研達.單調諧放大器特性分析 [J].安陽師范學院學報，2009（2）:77-79.LI Yan-da.Characteristics of single tuned amplifier[J].Journal of Anyang Normal University，2009（2）:77-79.