通信电子电路中的LC并联谐振回路

摘要：LC并联谐振回路是通信电子电路中常用的单元电路。通过电路分析得出它的幅频特性与相频特性，认为它在通信电子电路中的应用主要有三种类型，即放大器的选频匹配网络、反馈式正弦波振荡器的选频反馈网络、调制与解调电路中的幅频变换及频相转换器件。
关键词：LC并联谐振回路；幅频特性；相频特性；正弦波振荡器

    LC并联谐振回路是由电感线圈L、电容器C与外加信号源相互并联组成的振荡电路。在不同工作频率的信号激励下，LC并联谐振回路表现出不同的阻抗幅频特性和相频特性。在通信电子电路中，它是一种应用非常灵活的单元电路，在放大器、混频器、正弦波振荡器以及调制与解调等功能电路中，LC并联谐振回路充当着不同的角色。

1 LC并联谐振回路阻抗的幅频特性和相频特性
    图1所示为典型的LC并联谐振回路。其中，r代表线圈L的等效损耗电阻。

    由图可以推算，并联谐振回路的等效阻抗为：
   
    在实际电路中，通常r很小，满足mL》r。此时式(1)等价为：
   
1．1 谐振
    根据回路谐振时，其等效阻抗为纯电阻，可以得到谐振时ω0L=1／(ω0C)，由此求得谐振频率ω0=。
     此时，并联谐振回路的电压与电流同相，电阻RP是纯电阻，并达到最大值。
1．2 失谐
    通常，谐振回路主要工作在其谐振频率ω0的附近，因此，研究其失谐特性也主要研究其在ω0附近的频率特性。在高频电路中，当ω十分接近ω0时，设△ω=ω-ω0，式(2)可变换为：
   
    图2(a)和(b)分别为由|Z|和φ所作出的并联谐振回路的幅频特性曲线和相频特性曲线。

1．3 LC并联谐振回路阻抗特性总结
    由上述分析可知，LC并联谐振回路的主要特点是：
    (1)当ω=ω0。时，回路发生谐振，此时回路阻抗为最大值，是纯电阻，相移为0；当ω<ω0时，回路失谐，此时回路呈感性，相移为正，且最大值趋于90°；当ω>ω0时，回路失谐，此时回路呈容性，相移为负，且最大值趋于-90°。
    (2)它的相频特性曲线位于第二、四象限，在中心频率附近相频特性曲线具有负斜率。

2 LC并联谐振回路在通信电子电路中的应用
    LC并联谐振回路在通信电子电路中的应用由它的特点决定。具体说来，主要包括三大类，其一是工作于谐振状态，作为选频网络应用，此时呈现为大的电阻，在电流的激励下输出较大的电压；其二是工作于失谐状态，此时呈现为感性或容性，与电路中其他电感和电容一起，满足三点式振荡电路的振荡条件，形成正弦波振荡器；其三是工作于失谐状态，即工作于幅频特性曲线或相频特性曲线的一侧，实现幅频变换、频幅变换以及频相变换、相频变换，构成角度调制与解调电路。
2．1 用作选频匹配网络的LC并联谐振回路
    选频即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声。在通信电子电路中，LC并联谐振回路作为选频网络而使用是最普遍的，它广泛地应用于高频小信号放大器、丙类高频功率放大器、混频器等电路中。这些电路的共同特点是：LC谐振回路不仅是一种选频网络，通过变压器连接方式，还起到阻抗变换的作用，减小放大管或负载对谐振回路的影响，可获得较好的选择性。
    由于LC并联谐振回路作为选频网络使用时功能相似，本文着重介绍高频小信号谐振放大器。高频小信号选频放大器用来从众多的微弱信号中选出有用频率信号加以放大，并对其他无用频率信号予以抑制，它广泛应用于通信设备的接收机中。单调谐放大器电路及交流通路，如图3所示。

    在图3中，LC并联谐振回路作为晶体管集电极负载，它调谐于放大器的中心频率。在联接方式上，LC回路通过自耦变压器与本级集电极电路进行联接，与下一级的联接则采用变压器耦合。
    其作用是：通过自耦变压器耦合形式可将集电极所要求的负载变换成较大的负载，从而减小对LC并联谐振回路中品质因数的影响；与下一级的变压器耦合联接则可以减小下一级晶体管输入导纳YL对LC谐振回路的影响，同时，适当选择初级线圈的抽头位置以及初次级线圈的匝数比，可使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配，以获得较大的功率增益。
2．2 正弦波振荡器中使用的LC并联谐振回路
    正弦波振荡器在通信电路中有着广泛的应用，如无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需要的载波和本机振荡信号。反馈振荡器是一种常用的正弦波振荡器，LC并联谐振回路在正弦波振荡器中有两类应用：一是作为变压器耦合LC振荡器或者三点式振荡器的选频反馈网络；二是在石英晶体泛音振荡器中作为电容和晶体等共同构成三点式振荡器。
2．2．1 作为正弦波振荡器选频反馈网络的LC并联谐振回路
    如图4所示，图4(a)为共基极变压器反馈式LC振荡器，图4(b)是三点式振荡器电路的基本形式。在这类反馈振荡器电路中，把反馈电压作为输入电压，LC并联谐振回路主要作为选频反馈网络使用。输出端的信号被反馈至输入端，且反馈信号与输入信号相位相同，形成闭环正反馈，从而不需要外加信号激励就可产生输出信号，产生自激振荡。

    在满足振荡起振相位条件的同时，LC振荡器还可实现相位稳定，当相位平衡条件被破坏时，在LC振荡器的作用下，线路能重新建立起相位平衡点。这是由于相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事，因为，相位的变化必然引起频率的变化，相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，因此频率随相位变化可表示为。
    振荡器的选频网络采用LC并联谐振回路，由图2(b)可知，在振荡频率附近，它具有负的斜率，即频率与相位的变化趋势相反。当振荡频率发生变化的同时，LC谐振回路中产生一个新的相位，用以抵消这个由于外界原因引起的变化，从而保持相位平衡点的稳定。
2．2．2 作为电容构成泛音晶体振荡器的LC并联谐振回路
    在外加交变电压的作用下，石英晶片产生的机械振动中，除了基频的机械振动外，还有许多奇次频率的泛音。当需要工作频率很高的晶体振荡器时，多使用泛音晶体振荡器。图5所示为泛音晶体振荡器。

    图5中石英晶体与CL支路呈电感特性，以石英晶体、C2以及L1C1回路一起构成三点式振荡器，根据三点式振荡器的组成原则(射同它异)，L1C1谐振回路应呈容性。假定图中石英晶体工作在5次泛音频率上，标称频率为5 MHz，为了抑制基频和3次泛音的寄生振荡，L1C1回路应调谐在3次和5次泛音频率之间，即3～5 MHz之间。由图5(b)所示的L1C1谐振回路电抗特性曲线可知，对于5次泛音频率5 MHz，L1C1回路呈容性，电路满足三点式振荡条件，可以振荡。对于小于L1C1回路谐振频率的基波和3次谐波，回路呈电感特性，不符合射同它异的组成原则，不能产生振荡。对于7次及7次以上的泛音，虽然L1C1回路也呈容性，但此时的等效电容过大，振幅起振条件不能满足，振荡也无法产生。
2．3 实现幅频变换和频相转换功能的LC并联谐振回路
    LC并联谐振回路阻抗的相频特性是一条具有负斜率的单调变化曲线，利用曲线中，线性部分可以进行频率与相位的线性转换，这主要应用在相位鉴频电路中；同样，LC并联谐振回路阻抗的幅频特性曲线中的线性部分也可以进行频率与幅度的线性转换，因而在斜率鉴频电路中也得到了应用。
    以斜率鉴频器为例，如图6所示，图6(a)是谐振回路的输入电流与输出电压。图6(b)是其中的频率一振幅变换原理。图6(c)为单失谐回路鉴频器原理图。

    调频信号的电流是等幅、频率随调制信号变化的电流。当此电流通过斜率鉴频器的频率一振幅变换网络时，由于LC并联谐振网络的中心频率为f0，输入的高频信号使LC网络一直处于失谐状态，即工作于谐振曲线上以A为中心的BC之间的区域。当输入信号频率增大时，工作点由A向C移动，对应的输出电压由Uma减小为Umc；反之，当输入信号频率减小时，工作点由A向B移动，对应的输出电压由Uma增大为Umb。当输入信号最大频偏△f变化不大时，线段BC很短，可近似看作直线，因此它所产生的频率-振幅变换作用是线性，输出电压振幅的变化与输入信号频率的变化呈线性关系。因此网络可以将等幅的调频信号变成调幅-调频信号，该信号再经过二极管包络检波器就能够解调出输出信号。

3 结语
    LC并联谐振回路是通信电子电路中经常用到的单元电路，理解它在不同情况下所表现出来的特性，灵活掌握它的应用，对于分析整个电路的性能具有重要作用。