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(guò)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

    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。

    由圖可以推算，并聯(lián)諧振回路的等效阻抗為：
   
    在實(shí)際電路中，通常r很小，滿足mL》r。此時(shí)式(1)等價(jià)為：
   
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=。
     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)△ω=ω-ω0，式(2)可變換為：
   
    圖2(a)和(b)分別為由|Z|和φ所作出的并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

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(shuō)來(lái)，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(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來(lái)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)?，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。
    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(guò)大，振幅起振條件不能滿足，振蕩也無(wú)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)是其中的頻率一振幅變換原理。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(guò)斜率鑒頻器的頻率一振幅變換網(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△f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(guò)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(lái)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。