电路的频率响应

文章目录

  • Frequency response
    • Impedence
    • Transfer function
    • The Decibel scale
  • First order circuits
    • Series RL and RC circuits
      • Series RL circuits
        • Low pass
          • ideal filters and Cut-off frequency
        • High pass
      • Series RC circuits
      • Frequency domain and time domain
  • Second order circuits
    • Series RLC circuit
      • Resonance
      • Some definitions
      • Q-factor
      • Frequency domain and time domain
    • Parallel RLC circuit
    • Comparison

Frequency response

当一个电路的输入信号频率发生变化时,其内部的元件往往也会作出响应,这种变化通常体现在增益和相位上。一个电路的响应取决于电路中元件的类型,他们的值,连接方式以及各自的阻抗(阻抗是我们主要关注的点)。通过选择合适的元件并连接他们,我们可以制造出频率选择电路,也叫滤波器(filters)

Impedence

在电路中,对直流的抗性称为电阻(reisistance),而对交流的抗性则为电抗(reactance),电抗主要由电感和电容产生,电阻和电抗的结合即为电路的阻抗(impedence)

表达时,我们通常构建一个复数,实部为电阻,虚部为电抗,即:
Z = R + j ( ω L + 1 ω C ) Z=R+j(\omega L+\frac{1}{\omega C}) Z=R+j(ωL+ωC1)

Transfer function

转移函数H(ω)是频率相关的向量输出Y(ω)(元件的电流或电压),与向量输入X(ω)(源的电压或电流)的比值
H ( ω ) = Y ( ω ) X ( ω ) H(\omega)=\frac{Y(\omega)}{X(\omega)} H(ω)=X(ω)Y(ω)
V o l t a g e   g a i n = V 0 ( ω ) V i ( ω ) Voltage\ gain=\frac{V_0(\omega)}{V_i(\omega)} Voltage gain=Vi(ω)V0(ω)
C u r r e n t   g a i n = I 0 ( ω ) I i ( ω ) Current\ gain=\frac{I_0(\omega)}{I_i(\omega)} Current gain=Ii(ω)I0(ω)

The Decibel scale

在通信系统中,增益用贝尔(bels, B)来度量。传统来说,bel可以衡量两个功率的比值或功率增益G,表达如下:
G = n u m b e r   o f   b e l s = l o g 10 P 2 P 1 G=number\ of\ bels=log_{10}\frac{P_2}{P_1} G=number of bels=log10P1P2
单位分贝(decibel, dB)是一个较小的单位,为十分之一贝尔,在表达功率之比时,其表达式如下:
G ( d B ) = 10 l o g 10 P 2 P 1 G(dB)=10log_{10}\frac{P_2}{P_1} G(dB)=10log10P1P2
如果表达的是场量之比,则公式会变成:
G ( d B ) = 20 l o g 10 P 2 P 1 G(dB)=20log_{10}\frac{P_2}{P_1} G(dB)=20log10P1P2
所以看到不同的表达式时不用奇怪,他们针对的量是不同的,这一篇文章里,我们主要用到的是功率之比

First order circuits

Series RL and RC circuits

Series RL circuits

电感的阻抗为:
j X L = j ω L jX_L=j\omega L jXL=jωL

Low pass

串联RL电路的输入通常是一个交流电 V i ( t ) V_i(t) Vi(t),输出是跨电阻的电压 V 0 ( t ) V_0(t) V0(t)
交流电源根据频率的高低会出现以下两种情况:

  1. 在低频,电感阻抗远小于电阻阻值( X L = ω L < < R X_L=\omega_L<XL=ωL<<R),因此,电感可以视为被短路,电路中仅有电阻和电源
  2. 在高频,电感阻抗远大于电阻阻值( X L = ω L > > R X_L=\omega_L>>R XL=ωL>>R),因此,电感可视为开路,电路中几乎没有电流
ideal filters and Cut-off frequency

这两种情况使得仅允许低频的滤波器成为可能,在低频滤波器中,低于频率 ω c \omega_c ωc的分量可以通过,而高于 ω c \omega_c ωc的则不行,这个频率 ω c \omega_c ωc被称为截止频率(cut-off frequency)

理想的截止线是一条直线,线两边分别是可以通过的频率和不能通过的频率。然而实际上,RL滤波器总是逐步从通带到停止带,所以对实际的滤波器来说,截止频率就不是那么直观了。定义上,我们选择理想停止带与现实停止带相交的点作为截止频率,其对应的频率响应通常为:
∣ H ( j ω c ) ∣ = 1 2 H m a x |H(j\omega_c)|=\frac{1}{\sqrt2}H_{max} H(jωc)=2 1Hmax
在计算中,我们通常会先得出频率响应对于ω的表达式如下:
∣ H ( j ω ) ∣ = R / L ω 2 + ( R / L ) 2 |H(j\omega)|=\frac{R/L}{\sqrt{\omega^2+(R/L)^2}} H(jω)=ω2+(R/L)2 R/L
找到ω取值范围内可能的频率响应最大值 H m a x H_{max} Hmax,然后根据频率响应在 ω c \omega_c ωc时的表达式与最大值的关系(即上式),得出 ω c \omega_c ωc的值

High pass

之前我们讨论了low pass里的电路,这一次,我们保持电路不变,只将输出的电压改为电感上的电压,而非电阻上的电压,看看会发生什么。

经过计算,这时的频率响应如下:
∣ H ( j ω ) ∣ = ω ω 2 + ( R / L ) 2 |H(j\omega)|=\frac{\omega}{\sqrt{\omega^2+(R/L)^2}} H(jω)=ω2+(R/L)2 ω
可以看出,输出的电压仅在高频时才能通过,仅仅通过变换输出电压的提取处,我们便将Low pass RL滤波器变成了High pass RL滤波器。

频率响应与ω的关系并不相同
但二者的截止频率 ω c \omega_c ωc都为 R L \frac{ R}{L} LR

Series RC circuits

讨论完RL电路,我们再来看一看串联的RC电路,经过与RL电路类似的计算,我们可以得到如下表格
电路的频率响应_第1张图片

Frequency domain and time domain

上面,我们讨论的都是RL电路或RC电路在频域的变化,现在我们讨论基于时域的变化。
在一阶RL,RC电路的时域分析中,一个重要的参数是时间常量τ,它表现了时域响应信号的特征。

τ τ τ与截止电压 ω c \omega_c ωc的关系如下:
τ = 1 ω c \tau=\frac{1}{\omega_c} τ=ωc1

Second order circuits

Series RLC circuit

串联RLC电路的总阻值为
Z = R + j ( X L + X C ) Z=R+j(X_L+X_C) Z=R+j(XL+XC)
j X L = j ω L jX_L=j\omega L jXL=jωL
j X C = 1 j ω C = − j 1 ω C jX_C=\frac{1}{j\omega C}=-j\frac{1}{\omega C} jXC=jωC1=jωC1
基于不同的ω,RLC电路可以大致分为三种状态:

  1. ω = 0 \omega = 0 ω=0,此时,电容表现为开路,电感表现为短路
  2. ω = ∞ \omega = \infty ω=,此时,电容表现为短路,电感表现为开路
  3. 0 < ω < ∞ 0<\omega<\infty 0<ω<,此时,电源的电压会被电感和电容夺取一部分,但仍有一部分会被电阻得到

根据上面得到的阻值关系式, X = X L + X C = ω L − 1 ω C X=X_L+X_C=\omega L-\frac{1}{\omega C} X=XL+XC=ωLωC1
那么我们可以看出,在某一个频率处,电感的阻抗可能和电容的阻抗互相抵消,从而使输出电压等于输入电压,这种现象被称为谐振(Resonance)

Resonance

谐振会发生在所有拥有复共轭极对的电路中,其本质是电容中的电场能与电感中的磁场能互相转换,完全补偿。此时电路不需要再与电容或电感往返能量,只需给电阻供给消耗的电能.

在通信中,正是这种现象使得频率识别成为可能

Some definitions

在RLC电路中,有一些定义是我们需要关注的,其中包括:

  1. Pass-band & stop-band
  2. Cut-off frequencies ω c 1   &   ω c 2 \omega_{c1}\ \&\ \omega_{c2} ωc1 & ωc2,分别是L和C的截止频率
  3. 中心频率(Central frequency) ω 0 \omega_0 ω0,也叫谐振频率, 即谐振时的频率, ω 0 = ω c 1 ω c 2 \omega_0=\sqrt{\omega_{c1}\omega_{c2}} ω0=ωc1ωc2
  4. 带宽 β \beta β(Bandwidth),即pass-band的宽度, β = ω c 2 − ω c 1 \beta=\omega_{c2}-\omega_{c1} β=ωc2ωc1

Q-factor

品质因数(Quality factor)是谐振时电路储存的能量与耗散的能量之间的关系
它可以用来衡量电路的储能性能和耗散性能,Q的计算在本门课并不涉及

Frequency domain and time domain

串联RLC电路的自然响应与奈培频率α和谐振频率 ω 0 \omega_0 ω0有关
α = R 2 L r a d / s \alpha=\frac{R}{2L}rad/s α=2LRrad/s
ω 0 = 1 L C r a d / s \omega_0=\sqrt{\frac{1}{LC}}rad/s ω0=LC1 rad/s
带宽β与奈培频率α关系为: β = 2 α \beta=2\alpha β=2α

RLC电路的自然响应可能是欠阻尼(under-damped),过阻尼(over-damped)或临界阻尼(critically damped)

  • 宽带宽,Q小的电路过阻尼
  • 窄带宽,Q大的电路欠阻尼

Parallel RLC circuit

电路的频率响应_第2张图片

Comparison

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