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简单并联 (Tank Circuit) 谐振

21ic电子网  · 公众号  · 半导体  · 2024-11-12 15:13

正文

谐振在LC振荡电路中的应用

当LC振荡电路(又称坦克电路)中的电容和电感的电抗相等时,电路将达到谐振状态。由于电感电抗随频率增加而增大,而电容电抗随频率增加而减小,因此仅存在一个频率使得这两种电抗相等。例如:




简单的并联谐振电路(LC振荡电路)。

在上述电路中,我们有一个10微法的电容和一个100毫亨的电感。由于我们知道在给定频率下确定每个元件电抗的公式,并且正在寻找这两个电抗相等的点,因此我们可以将两个电抗公式设为相等,并通过代数方法求解频率:




确定电抗的公式

这样我们就得到了一个公式,该公式可以告诉我们给定电感值(以亨利为单位)和电容值(以法拉为单位)的LC振荡电路的谐振频率。将示例电路中的L和C值代入公式,我们得到谐振频率为159.155赫兹。

计算单个阻抗

谐振时的现象非常有趣。当电容电抗和电感电抗相等时,总阻抗趋于无穷大,这意味着LC振荡电路不会从交流电源中汲取电流!

我们可以计算10微法电容和100毫亨电感的单个阻抗,并通过并联阻抗公式从数学上验证这一点:



正如您可能已经猜到的,我选择这些元件值是为了得到易于处理的谐振阻抗(甚至是100欧姆)。

并联阻抗公式

现在,我们使用并联阻抗公式来观察总阻抗Z的变化:




(展示并联阻抗公式,观察总阻抗Z的变化)

SPICE仿真图

我们无法将任何数除以零并得到有意义的结果,但我们可以说,当两个并联阻抗彼此接近时,结果会趋近于无穷大。

从实际意义上讲,这意味着LC振荡电路在谐振时的总阻抗为无穷大(表现为开路)。我们可以通过短暂的SPICE仿真,在广泛的电源频率范围内绘制出这一结果的后果。


(展示在广泛的电源频率范围内进行短暂SPICE仿真的图)

适用于SPICE仿真的谐振电路

(展示适用于SPICE仿真的谐振电路图)

在这个SPICE分析中,放置了一个1皮欧(1 pΩ)的电阻,以克服SPICE的一个限制:即它无法分析包含直接电感-电压源回路的电路。(如下图所示)选择了一个非常低的电阻值,以便对电路行为的影响最小。

这个SPICE仿真在100到200赫兹的频率范围内,以二十个等步长(包括100和200赫兹)绘制了电路电流。图上的电流幅度从左到右增加,而频率从上到下增加。

该电路中的电流在分析点157.9赫兹附近急剧下降,这是离我们预测的谐振频率159.155赫兹最近的分析点。正是在这一点上,来自电源的总电流降至零。

“Nutmeg”图形后处理器图

上面的图是根据上面的SPICE电路文件(*.cir)生成的,最后一行的命令(.plot)在任何打印机或终端上生成文本图。一个更好看的图是由“nutmeg”图形后处理器生成的,它是SPICE软件包的一部分。

虽然上面的SPICE(*.cir)文件不需要plot(.plot)命令,但也没有害处。以下命令生成了下面的图:




Nutmeg为并联谐振电路生成了电流I(v1)的图。

博德图

顺便提一下,这种SPICE计算机分析产生的图形输出通常被称为博德图。这种图在一个轴上绘制幅度或相位移动,在另一个轴上绘制频率。博德图曲线的陡峭程度反映了电路的“频率响应”,即电路对频率变化的敏感程度。

回顾:

当电容和电感的电抗相等时,就会发生谐振。

对于没有电阻(R)的LC振荡电路,可以使用以下公式来计算谐振频率:

当电源频率接近谐振频率时,并联LC电路的总阻抗趋于无穷大。

博德图是一种图形,它在一个轴上绘制波形幅度或相位,在另一个轴上绘制频率。


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