LC并联回路在高频线路中的应用
2015-01-28刘雪亭
刘雪亭
（四川信息职业技术学院 四川 广元 628040）
LC并联谐振电路在无线电高频设备中应用非常广泛，是高频电子线路中一个最常见的单元电路，是构成高频放大器、振荡器、变频器以及各种滤波器的主要部件，起调谐或选频、滤波作用，也可作为调制解调电路的变换网络，完成不同功能的频率线性和非线性变换电路。
1 LC并联谐振电路的特性
由表1及图1、2可知LC并联谐振电路的特性是：回路处于谐振状态时，回路阻抗最大，回路呈现为纯电阻，因此并联谐振回路的谐振时电压最大；回路处于失谐状态时，回路阻抗最小，回路呈现电容或电感，且相移不为零，有移相功能[1]。
表1 LC并联谐振回路的基本特性Tab.1 The basic characteristics of the LC parallel resonance circuit
图1 幅频特性曲线Fig.1 Amplitude frequency characteristic curve
图2 相频特性曲线Fig.2 Phase frequency characteristic curve
2 LC并联回路在高频线路中的应用
从以上分析可知LC并联回路主要有四大特性：选频特性、频幅转换及频相转换、移相特性、阻抗变换和匹配特性等。
1）选频特性
这是其最主要的特性，即从各种信号中选出有用频率分量而抑制无用频率分量或噪声，也就是通过产生谐振，使得与谐振信号频率相同的信号在放大时能获得较大增益[2]。这种特性主要应用在小信号谐振放大器、谐振功率放大器、LC正弦波振荡器、变频电路及直接调频电路中。
①高频小信号谐振放大器
就是用LC并联谐振回路作负载的放大器，它不仅能放大信号，还具有选频、滤波作用，因而广泛应用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中。而其具有的选频、滤波作用正是LC并联谐振回路来实现的。
如图3所示的小信号谐振放大器在使用时，一般将放大器调谐在有用信号的中心频率f0上，即使LC并联回路发生谐振，此时放大器的电压增益将达到最大值，说明该电路通过LC并联谐振回路的作用具有选择性的放大信号。
②高频谐振功率放大器
该电路广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。如图4所示的高频功率放大器由于输出LC回路谐振于输入信号的频率，则它对ic的基波分量呈现很大阻抗，而对直流和各次谐波电流呈现的阻抗很小，可近似看成短路。因此，ic的各种成分中，只有基波分量才能在LC谐振回路两端产生压降[3]。可见，谐振回路具有从众多电流分量中选取有用分量的作用，即选频作用。LC谐振负载的作用是从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到放大的、不失真的输出电压，完成对输入信号的功率放大。
图3 单调谐放大器的基本电路Fig.3 The basic circuit of single tuned amplifier
3）LC正弦波振荡器
图4 丙类谐振功率放大器Fig.4 Class C resonance power amplifier
选频网络采用LC谐振回路的LC正弦波振荡器，常用于产生几十千至一千兆赫兹左右的高频信号。有变压器反馈式LC振荡器和三点式振荡器。如图5所示的变压器反馈式LC振荡器，LC谐振回路作为振荡器的选频网络，其作用是从振荡出的信号中选出某一特定频率的信号输出，其振荡频率等于选频网络的谐振频率。振荡器在这个频率上自激出的信号幅度最大，易满足振幅条件。此电路的φA=0°，从输出电压到反馈电压也没有反相，有φF=0°，满足产生自激振荡的相位平衡条件，即φAF=φA+φF=2nπ，满足产生自激振荡的相位平衡条件。这样在LC的谐振频率点上负载就能获得单一频率的正弦波。
在如图6所示的三点式振荡器中，LC谐振回路既作为振荡器的选频网络，同时也作其反馈网络。选频网络的作用与图5电路相同，其振荡器的振荡频率由LC中的电容和电感值决定，改变电路中的电容值可使其振荡频率在一定范围内可调。LC谐振回路作为振荡器的反馈网络，其作用是在电路中引入一个正反馈，来满足振荡器的组成原则，即相位平衡条件，由图6可知LC谐振回路的引入，确实满足“射同集反”的组成原则[4]。
图5 变压器反馈式振荡器Fig.5 The transformer feedback oscillator
图6 三点式振荡器Fig.6 Three point type oscillator
④变频电路
该电路不但用于各种超外差式接收机中，而且还用于频率合成器等电路或电子设备中。变频电路应用最多的是三极管变频电路，其优点是具有较高的变频增益，常用于一般的接收机中。在图7所示的电路中，混频器是利用三极管的非线性特性实现变频的，所以在变频中除了产生有用的中频信号外，还会产生许多无用信号的频率，LC谐振回路的作用就是选择出有用的中频信号，滤除无用信号的频率，从而在输出端得到中频信号。
⑤变容二极管直接调频电路
该电路的优点是电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小。在广播、电视和通信等领域中得到了广泛应用。根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化这一基本特性，可以将调制信号作为压控振荡器VCO的控制电压，直接控制主振荡回路元件的参数L或C，使其产生的振荡频率随调制信号规律而变化，这就是直接调频。图8中变容二极管直接调频电路由高频LC振荡器和低频调制信号控制电路组成。将变容二极管接入LC正弦振荡器的谐振回路中，便构成了变容二极管调频电路。L和变容二极管组成谐振回路，虚方框为变容二极管的控制电路。将调制信号作为压控振荡器的控制电压，直接控制主振荡回路变容二极管的参数Cj，使其产生的振荡频率随调制信号规律而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。压控振荡器的中心频率即为载波频率，输出即为瞬时频率随调制信号成线性变化的调频波。
图7 三极管变频电路Fig.7 Transistor frequency conversion circuit
图8 变容二极管调频电路Fig.8 Varactor frequencymodulation circuit
2）实现频幅转换、频相转换作用
LC并联回路将频率的变化转换为振幅或相位的变化，其工作在失谐状态，即工作在幅频特性曲线或相频特性曲线的一侧，可以完成频幅转换、频相转换的功能[5]。这种变换特性主要应用在斜率鉴频电路和相位鉴频电路中。
①斜率鉴频器
是利用频幅转换网络将调频信号转换成调频-调幅信号，然后再经过检波电路取出原调制信号，其频幅转换网络通常采用LC并联回路，且工作于失谐状态。
图9是双失谐回路鉴频器的原理图，它是由3个调谐回路组成的调频-调幅变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。初级回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别为 ω01、ω02， 使 ω01、ω02与 ωc成对称失谐，即 ωc-ω01=ω02-ωc。
图10是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这两个幅频特性对于ωc是对称的。当输入调频信号的频率为ωc时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电压为uo=uo1-u02=0。当输入调频信号的频率由ωc向升高的方向偏离时，L2C2回路输出电压大，而L1C1回路输出电压小，则经检波后uo=uo1-u02<0。当输入调频波信号的频率由ωc向降低方向偏离时，L1C1回路输出电压大，L2C2回路输出电压小，经检波后uo=uo1-u02>0。
图9 双失谐鉴频器原理图Fig.9 Double detuning frequency discriminator principle
图10 双失谐回路鉴频器的特性Fig.10 Dual characteristics of loop discriminator
②相位鉴频电路
先将输入等幅调频波通过线性网络进行变换，使调频波的瞬时频率变化转换为附加相移的变化，即进行FM-PM波变换[6]；再利用相位检波器检出所需要的调制信号。相位鉴频器的关键是找到一个线性的频率-相位变换网络。其中频率-相位变换网络常采用LC单谐振回路来实现。
3）移相电路的功能
LC并联谐振电路作为移相电路的作用，也工作在失谐状态。由表1可知，当f
图11 单回路变容二极管调相电路Fig.11 Single loop variable capacitance diode phasemodulation
图12 谐振频率变化产生附加相移Fig.12 frequency changes generate additional phase shift
当uΩ（t）>0时，变容二极管的负极电压增大，其结电容减小，L与Cj组成谐振回路的谐振频率增大，其相频特性如图12中的曲线①所示。这时谐振回路对ωc来说有一个正的附加相移 φ，输出电压的相位为（ωct+φ）。 当 uΩ（t）<0 时，变容二极管的反向偏压减小，其结电容增大，L和Cj组成谐振回路的谐振频率降低，其相频特性如图12中的曲线③所示。这时谐振回路对ωc来说有一个负的附加相移－φ，输出电压的相位为（ωct-φ）。 因为附加相移 φ 是由 uΩ（t）控制变容二极管而产生的。这样输出电压的相位就随uΩ（t）变化而变化，从而实现了调相。
4）阻抗变换和匹配电路
这种特性应用在高频电子线路各个单元电路之中。如图3单调谐放大器其负载ZL通过变压器以部分接入方式与使LC回路相连，这样接入的原因有3：①如果三极管的输出与输入导纳直接并接于谐振回路两端，将使回路Q值降低，增益下降。②当电路的分布参数和直流偏置发生变化时，将引起谐振频率的变化，采用部分接入法可减小这种变化，提高稳定性。③通过改变LC回路中电感中心抽头位置，实现阻抗变换，使放大器的前后级匹配。
3 结 论
我们在学习高频电子线路时，往往会发现在许多不同单元功能电路中有着相似或相同的部分电路，而其又是整个电路的核心，如果我们能抓住这些“相同”电路的共性，对不同功能电路进行比较分析，则将会使我们的思路变得清晰，明了。而LC并联谐振回路是整个高频电子线路的核心电路，其特点决定了它在高频电子线路的重要应用。该文以LC并联回路作为主线，将高频电子线路整个课程的内容形成一个网络状的知识体系进行分析和归纳，帮助读者有效地掌握该课程的知识点，学会分析电路、设计电路，做到举一反三、学以致用的目的。
[1]程远东.高频电子线路[M].1版.北京:北京出版社，2008.
[2]郑应光.模拟电子线路 （二）[M].南京:东南大学出版社.2006.
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