LC并聯(lián)回路在高頻線路中的應(yīng)用

劉雪亭

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

LC并聯(lián)諧振電路在無線電高頻設(shè)備中應(yīng)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(gòu)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(diào)諧或選頻、濾波作用，也可作為調(diào)制解調(diào)電路的變換網(wǎng)絡(luò)，完成不同功能的頻率線性和非線性變換電路。

1 LC并聯(lián)諧振電路的特性

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

表1 LC并聯(lián)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(lián)回路在高頻線路中的應(yīng)用

從以上分析可知LC并聯(lián)回路主要有四大特性：選頻特性、頻幅轉(zhuǎn)換及頻相轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yīng)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(diào)頻電路中。

①高頻小信號諧振放大器

就是用LC并聯(lián)諧振回路作負(fù)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(yīng)用于廣播、電視、通信、雷達(dá)等接收設(shè)備中。而其具有的選頻、濾波作用正是LC并聯(lián)諧振回路來實(shí)現(xiàn)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(diào)諧在有用信號的中心頻率f0上，即使LC并聯(lián)回路發(fā)生諧振，此時放大器的電壓增益將達(dá)到最大值，說明該電路通過LC并聯(lián)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(fā)射機(jī)、高頻加熱裝置和微波功率源等電子設(shè)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(xiàn)很大阻抗，而對直流和各次諧波電流呈現(xiàn)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(chǎn)生壓降[3]?？梢姡C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(fù)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(diào)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(wǎng)絡(luò)采用LC諧振回路的LC正弦波振蕩器，常用于產(chǎn)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(diǎn)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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生自激振蕩的相位平衡條件，即φAF=φA+φF=2nπ，滿足產(chǎn)生自激振蕩的相位平衡條件。這樣在LC的諧振頻率點(diǎn)上負(fù)載就能獲得單一頻率的正弦波。

在如圖6所示的三點(diǎn)式振蕩器中，LC諧振回路既作為振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)，同時也作其反饋網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)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(nèi)可調(diào)。LC諧振回路作為振蕩器的反饋網(wǎng)絡(luò)，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(shí)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(diǎn)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(jī)中，而且還用于頻率合成器等電路或電子設(shè)備中。變頻電路應(yīng)用最多的是三極管變頻電路，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的變頻增益，常用于一般的接收機(jī)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(shí)現(xiàn)變頻的，所以在變頻中除了產(chǎn)生有用的中頻信號外，還會產(chǎn)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?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

該電路的優(yōu)點(diǎn)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(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)調(diào)頻信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號成線性變化這一基本特性，可以將調(diào)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(shù)L或C，使其產(chǎn)生的振蕩頻率隨調(diào)制信號規(guī)律而變化，這就是直接調(diào)頻。圖8中變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路由高頻LC振蕩器和低頻調(diào)制信號控制電路組成。將變?nèi)荻O管接入LC正弦振蕩器的諧振回路中，便構(gòu)成了變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。L和變?nèi)荻O管組成諧振回路，虛方框?yàn)樽內(nèi)荻O管的控制電路。將調(diào)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?nèi)荻O管的參數(shù)Cj，使其產(chǎn)生的振蕩頻率隨調(diào)制信號規(guī)律而變化，從而改變振蕩頻率，達(dá)到調(diào)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(diào)制信號成線性變化的調(diào)頻波。

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

圖8 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路Fig.8 Varactor frequencymodulation circuit

2）實(shí)現(xiàn)頻幅轉(zhuǎn)換、頻相轉(zhuǎn)換作用

LC并聯(lián)回路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅或相位的變化，其工作在失諧狀態(tài)，即工作在幅頻特性曲線或相頻特性曲線的一側(cè)，可以完成頻幅轉(zhuǎn)換、頻相轉(zhuǎn)換的功能[5]。這種變換特性主要應(yīng)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(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換成調(diào)頻-調(diào)幅信號，然后再經(jīng)過檢波電路取出原調(diào)制信號，其頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通常采用LC并聯(lián)回路，且工作于失諧狀態(tài)。

圖9是雙失諧回路鑒頻器的原理圖，它是由3個調(diào)諧回路組成的調(diào)頻-調(diào)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(diào)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(shí)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(dāng)輸入調(diào)頻信號的頻率為ωc時，兩個次級回路輸出電壓幅度相等，經(jīng)檢波后輸出電壓為uo=uo1-u02=0。當(dāng)輸入調(diào)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(jīng)檢波后uo=uo1-u02<0。當(dāng)輸入調(diào)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(jīng)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(diào)頻波通過線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變換，使調(diào)頻波的瞬時頻率變化轉(zhuǎn)換為附加相移的變化，即進(jìn)行FM-PM波變換[6]；再利用相位檢波器檢出所需要的調(diào)制信號。相位鑒頻器的關(guān)鍵是找到一個線性的頻率-相位變換網(wǎng)絡(luò)。其中頻率-相位變換網(wǎng)絡(luò)常采用LC單諧振回路來實(shí)現(xiàn)。

3）移相電路的功能

LC并聯(lián)諧振電路作為移相電路的作用，也工作在失諧狀態(tài)。由表1可知，當(dāng)ff0時，LC并聯(lián)回路呈容性，其移相在 0至-π/2。這種移相作用主要應(yīng)用調(diào)相電路中。圖11所示電路是單回路變?nèi)荻O管調(diào)相電路。利用由電感L和變?nèi)荻O管Cj組成的諧振回路可作為可控相移網(wǎng)絡(luò)，其諧振頻率隨變?nèi)荻O管結(jié)電容變化而變化實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

圖11 單回路變?nèi)荻O管調(diào)相電路Fig.11 Single loop variable capacitance diode phasemodulation

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

當(dāng)uΩ（t）>0時，變?nèi)荻O管的負(fù)極電壓增大，其結(jié)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(dāng) uΩ（t）<0 時，變?nèi)荻O管的反向偏壓減小，其結(jié)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(fù)的附加相移－φ，輸出電壓的相位為（ωct-φ）。 因?yàn)楦郊酉嘁?φ 是由 uΩ（t）控制變?nèi)荻O管而產(chǎn)生的。這樣輸出電壓的相位就隨uΩ（t）變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。

4）阻抗變換和匹配電路

這種特性應(yīng)用在高頻電子線路各個單元電路之中。如圖3單調(diào)諧放大器其負(fù)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(dǎo)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(dāng)電路的分布參數(shù)和直流偏置發(fā)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(wěn)定性。③通過改變LC回路中電感中心抽頭位置，實(shí)現(xiàn)阻抗變換，使放大器的前后級匹配。

3 結(jié) 論

我們在學(xué)習(xí)高頻電子線路時，往往會發(fā)現(xiàn)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(jìn)行比較分析，則將會使我們的思路變得清晰，明了。而LC并聯(lián)諧振回路是整個高頻電子線路的核心電路，其特點(diǎn)決定了它在高頻電子線路的重要應(yīng)用。該文以LC并聯(lián)回路作為主線，將高頻電子線路整個課程的內(nèi)容形成一個網(wǎng)絡(luò)狀的知識體系進(jìn)行分析和歸納，幫助讀者有效地掌握該課程的知識點(diǎn)，學(xué)會分析電路、設(shè)計(jì)電路，做到舉一反三、學(xué)以致用的目的。

[1]程遠(yuǎn)東.高頻電子線路[M].1版.北京:北京出版社，2008.

[2]鄭應(yīng)光.模擬電子線路 （二）[M].南京:東南大學(xué)出版社.2006.

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

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