11.电路的频率响应ppt

第十一章网络函数和频率特性

前面讨论了正弦激励频率为给定值时，动态电路的正弦稳态响应。本章讨论正弦激励频率变化时，动态电路的特性——频率特性。为此，先介绍在正弦稳态条件下的网络函数。然后利用网络函数研究几种典型RC电路的频率特性。最后介绍谐振电路及其频率特性。动态电路的频率特性在电子和通信工程中得到了广泛应用，常用来实现滤波、选频、移相等功能。§11－1网络函数一、网络函数的定义和分类

输入(激励)是独立电压源或独立电流源，输出(响应)是感兴趣的某个电压或电流。

动态电路在频率为ω的单一正弦激励下，正弦稳态响应(输出)相量与激励(输入)相量之比，称为正弦稳态的网络函数，记为H(jω)，即和称为驱动点阻抗。

若输入和输出属于同一端口，称为驱动点函数，或策动点函数。以图示双口网络为例和称为驱动点导纳。

若输入和输出属于不同端口时，称为转移函数。和称为转移阻抗。和称为转移导纳。和称为转移电压比。和称为转移电流比。图11-1二、网络函数的计算方法

正弦稳态电路的网络函数是以ω为变量的两个多项式之比，它取决于网络的结构和参数，与输入的量值无关。在已知网络相量模型的条件下，计算网络函数的基本方法是外加电源法：在输入端外加一个电压源或电流源，用正弦稳态分析的任一种方法求输出相量的表达式，然后将输出相量与输入相量相比，求得相应的网络函数。对于二端元件组成的阻抗串并联网络，也可用阻抗串并联公式计算驱动点阻抗和导纳，用分压、分流公式计算转移函数。

例11-l试求图12-2(a)所示网络负载端开路时的驱动点阻抗

和转移阻抗。图11-2解：首先画出网络的相量模型，如图11-2(b)所示。用阻抗

串并联公式求得驱动点阻抗

然后求得

读者注意到网络函数式中，频率ω是作为一个变量出现在函数式中的。

为求转移阻抗，可外加电流源，用分流公式先求出的表达式图11-2

解：先画出相量模型，如图(b)所示。外加电压源，列出结

点方程：解得例11-2试求图11-3(a)所示网络的转移电压比。图11-3

其中三、利用网络函数计算输出电压电流

网络函数H(j)是输出相量与输入相量之比，H(j)反映输出正弦波振幅及相位与输入正弦波振幅及相位间的关系。在已知网络函数的条件下，给定任一频率的输入正弦波，即可直接求得输出正弦波。例如已知某电路的转移电压比

式(11－4)表明输出电压u2(t)的幅度为输入电压u1(t)幅度的|H(j)|倍，即

式(11－5)表明输出电压u2(t)的相位比输入电压u1(t)的相位超前()，即

若已知u1(t)=U1mcos(t+1)，则由u1(t)引起的响应为

对于其它网络函数，也可得到类似的结果。

当电路的输入是一个非正弦波形时，可以利用网络函数计算每个谐波分量的瞬时值，再用叠加方法求得输出电压或电流的波形。例11-3电路如图11-3所示。已知,

若：(1)

=103rad/s,(2)=104rad/s，试求输出电压u2(t)。解：该电路的转移电压比如式(11-2)所示。代入R、C、gm

之值得到图12-3(1)=103rad/s时

由式(11－6)求得(2)=104rad/s时

由式(11－6)求得

实际电路的网络函数，可以用实验方法求得。将正弦波信号发生器接到被测网络的输入端，用一台双踪示波器同时观测输出和输入正弦波。从输出和输入波形幅度之比可求得求得转移电压比的|H(j)|。从输出和输入波形的相位差可求得()。改变信号发生器的频率，求得各种频率下的网络函数H(j)，就知道该网络的频率特性。四、网络函数的频率特性

一般来说，网络函数的振幅|H(j)|和相位()是频率的函数。可以用振幅或相位作纵坐标，画出以频率为横坐标的幅频特性曲线和相频特性曲线。由幅频和相频特性曲线，可直观地看出网络对不同频率正弦波呈现出的不同特性，在电子和通信工程中被广泛采用。

网络函数是一个复数，用极坐标形式表为图11-3图11－3电路的幅频和相频特性曲线如图(a)和(b)所示。图11-4图11-4

这些曲线的横坐标是用对数尺度绘制的。由幅频特性曲线可看出，该网络对频率较高的正弦信号有较大的衰减，而频率较低的正弦信号却能顺利通过，这种特性称为低通滤波特性。由相频特性可看出，该网络对输入正弦信号有移相作用，移相范围为0°到-90°。

利用不同网络的幅频特性曲线，可以设计出各种频率滤波器。图11－5分别表示常用的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器的理想幅频特性曲线。图11-5几种理想频率滤波器的特性

§11－2RC电路的频率特性一、一阶RC低通滤波电路

令图11-6(a)

图11－6(a)所示RC串联电路，其负载端开路时电容电压对输入电压的转移电压比为

将上式改写为

其中图11-6

根据式(11－9)和(11－10)画出的幅频和相频特性曲线，如图11-6(b)和(c)所示。曲线表明图11-6(a)电路具有低通滤波特性和移相特性，相移范围为0°到-90°。A0.010.1.7071210100100020lgA/dB-40-20-3.006.0204060

电子和通信工程中所使用信号的频率动态范围很大，例如从1021010Hz。为了表示频率在极大范围内变化时电路特性的变化，可以用对数坐标来画幅频和相频特性曲线。常画出20lg|H(j)|和()相对于对数频率坐标的特性曲线，这种曲线称为波特图。横坐标采用相对频率/C，使曲线具有一定的通用性。幅频特性曲线的纵坐标采用分贝(dB)作为单位。|H(j)|与20lg|H(j)|(dB)之间关系如表11-l所示。

表11-l比值A与分贝数的关系由式(11－9)和(11－10)画出的波特图如图11－7所示图11-6图11-7

采用对数坐标画频率特性的另一个好处是可用折线来近似。

当<C时是平行横坐标的直线图11-7

当>>C时两条直线交点的坐标为(l，0dB)，对应的频率C

称为转折频率。

当=C时，20lg|H(jC)|=-3dB，常用振幅从最大值下降到3dB的频率来定义滤波电路的通频带宽度(简称带宽)。例如，上图所示低通滤波器的带宽是0到C。图11-7二、一阶RC高通滤波电路

令

对图(a)所示RC串联电路，电阻电压对输入电压的转移电压比为图11-7(a)

将上式改写为

其中

波特图如图所示，该曲线表明图11-8(a)电路具有高通滤波特性。由此可见，当>C时，曲线近乎一条平行于横坐标的直线，当<<C时，曲线趋近于一条直线。以上两条直线交点的坐标为(l，0dB)，对应的频率C称为转折频率。图11-8

当=C时，20lg|H(jC)|=-3dB，我们说此高通滤波电路的带宽从C

到∞。从图(c)可见，该高通滤波电路的相移角度从90°到0°之间变化，当=C时，()=45。图11-8§11－3谐振电路

含有电感、电容和电阻元件的单口网络，在某些工作频率上，出现端口电压和电流波形相位相同的情况时，称电路发生谐振。能发生谐振的电路，称为谐振电路。谐振电路在电子和通信工程中得到广泛应用。本节讨论最基本的RLC串联和并联谐振电路谐振时的特性。

一、RLC串联谐振电路图11－9(a)表示RLC串联谐振电路，图11－9(b)是它的相量模型，由此求出驱动点阻抗为图11－9

其中图11－9

当，即时，()=0,

式中称为电路的固有谐振角频率。|Z(j)|=R,电压u(t)与电流i(t)相位相同，电路发生谐振。也就是说，RLC串联电路的谐振条件为1.谐振条件图11－9

当电路激励信号的频率与谐振频率相同时，电路发生谐振。用频率表示的谐振条件为RLC串联电路在谐振时的感抗和容抗在量值上相等，其值称为谐振电路的特性阻抗，用表示，即图12－92.谐振时的电压和电流

RLC串联电路发生谐振时，阻抗的电抗分量

导致

即阻抗呈现纯电阻，达到最小值。若在端口上外加电压源，则电路谐振时的电流为图11－9

电流达到最大值，且与电压源电压同相。此时电阻、电感和电容上的电压分别为

其中Q称为串联谐振电路的品质因数，其数值等于谐振时感抗或容抗与电阻之比。

从以上各式和相量图可见，谐振时电阻电压与电压源电压相等，。电感电压与电容电压之和为零，即，且电感电压或电容电压的幅度为电压源电压幅度的Q倍，即

若Q>>1,则UL=UC>>US=UR，这种串联电路的谐振称为电压谐振。图11－103.谐振时的功率和能量设电压源电压为uS(t)=Usmcos(0t)，则：图11－9

由于

u(t)=uL(t)+uC(t)=0(相当于虚短路)，任何时刻进入电感和电容的总瞬时功率为零，即pL(t)+pC(t)=0。电感和电容与电压源和电阻之间没有能量交换。电压源发出的功率全部为电阻吸收，即pS(t)=pR(t)。

电感和电容吸收的功率分别为：图11－9

电感和电容之间互相交换能量，其过程如下:当电流减小时，电感中磁场能量WL=0.5Li2减小，所放出的能量全部被电容吸收，并转换为电场能量，如图11-11(a)所示。当电流增加时，电容电压减小，电容中电场能量WC=0.5Cu2减小，所放出的能量全部被电感吸收，并转换为磁场能量，如图11－11(b)所示。图11—11串联电路谐振时的能量交换

能量在电感和电容间的这种往复交换，形成电压和电流的正弦振荡，这种情况与LC串联电路由初始储能引起的等幅振荡相同。其振荡角频率，完全由电路参数L和C来确定。

谐振时电感和电容中总能量保持常量，并等于电感中的最大磁场能量，或等于电容中的最大电场能量，即图11—11例11-4电路如图11-12所示。已知求:(l)频率为何值时，电路发生谐振。

(2)电路谐振时,UL和UC为何值。图11－12

解：(l)电压源的角频率应为(2)电路的品质因数为

则图11－12二、RLC并联谐振电路图11-13(a)所示RLC并联电路，其相量模型如图11-13(b)所示。图11－13

其中

驱动点导纳为图11－131.谐振条件

式中称为电路的谐振角频率。与RLC串联电路相同。

当时,Y(j)=G=1/R，电压u(t)和电流i(t)同相，电路发生谐振。因此，RLC并联电路谐振的条件是图11－132.谐振时的电压和电流RLC并联电路谐振时，导纳Y(j0)=G=1/R，具有最小值。若端口外加电流源，电路谐振时的电压为

电路谐振时电压达到最大值，此时电阻、电感和电容中电流为（见下页）图11－13

其中

称为RLC并联谐振电路的品质因数，其量值等于谐振时感纳或容纳与电导之比。电路谐振时的相量图如图11-14(b)所示。

由以上各式和相量图可见，谐振时电阻电流与电流源电流相等。电感电流与电容电流之和为零，即。电感电流或电容电流的幅度为电流源电流或电阻电流的Q倍，即

并联谐振又称为电流谐振。图11－143.谐振时的功率和能量设电流源电流iS(t)=Ismcos(0t)，则：

电感和电容吸收的瞬时功率分别为：图11－13

由于i(t)=iL(t)+iC(t)=0(相当于虚开路)，任何时刻进入电感和电容的总瞬时功率为零，即pL(t)+pC(t)=0。电感和电容与电流源和电阻之间没有能量交换。电流源发出的功率全部被电阻吸收，即pS(t)=pR(t)。

能量在电感和电容间往复交换(图11－15)，形成了电压和电流的正弦振荡。其情况和LC并联电路由初始储能引起的等幅振荡相同，因此振荡角频率也是，与串联谐振电路相同。图11－15并联电路谐振时的能量交换

谐振时电感和电容的总能量保持常量，即图11－15并联电路谐振时的能量交换例11-5图11-16(a)是电感线圈和电容器并联的电路模型。

已知R=1,L=0.1mH,C=0.01F。试求电路的谐振

角频率和谐振时的阻抗。图11－16解：根据其相量模型[图11-16((b)]写出驱动点导纳

令上式虚部为零

求得是RLC串联电路的品质因数。

其中图11－16

当Q>>1时,

，代入数值得到

谐振时的阻抗

当0L>>R

时§11－4谐振电路的频率特性一、串联谐振电路

图11-17所示电路的转移电压比为图11－17

其振幅为,将上式改为

代入

当时，电路发生谐振，|H(j)|=1达到最大值，说明该电路具有带通滤波特性。为求出通频带的宽度，先计