在射频系统里,我们都会用到无源网络和无源电路,核心用途就是做阻抗匹配、阻抗变换。除此之外,无源网络还能用来调试射频模块、把输入输出阻抗调到我们需要的数值,另外各类滤波器的设计也得靠它。所以说,搞懂阻抗变换的基本原理,还有无源网络到底是怎么工作的,这事儿特别关键。
先明确一个基础概念:没法通过其他电信号来控制自身电流的元件,都叫无源元件,我们常用的电阻、电感、电容就都属于这一类。
一、并联RLC谐振电路
接下来我们要算出这个无源网络的输入阻抗(Zin)。
先明确两个基础:jwL就是电感的阻抗,1/jwC就是电容的阻抗,这俩是电感和电容各自的阻抗表达式。
先看电感和电容并联的部分,它们俩的等效阻抗我们叫ZLC,计算方法就是下面的公式(2)。
这里有个关键条件:我们可以调节谐振角频率w,当把w调到1/√LC时,公式里的分母(1-w²LC)就会变成0;一旦分母为0,这个并联电路在这个谐振频率下,阻抗就会变成无穷大。
二、并联RLC电路的工作特性
先看下面这张图:这个电路的阻抗最大值,刚好等于电阻R的阻值。一旦我们偏离谐振频率往下调,电路就不谐振了,不管是进入感性区还是容性区,整体阻抗都会跟着下降。
先说说感性区:对应的是角频率w比较低的情况,这时w²LC的数值远小于1,小到可以直接忽略不计。这种情况下,电路的输入阻抗Zin≈jwL,和纯电感的阻抗一样,也就是说,当工作频率低于谐振频率时,这个并联RLC电路就相当于一个电感。
再看容性区:对应的是角频率w比较高的情况,这时w²LC的数值远大于1。这种情况下,输入阻抗Zin≈1/jwC,和纯电容的阻抗一样,也就是说,当工作频率高于谐振频率时,这个并联RLC电路就相当于一个电容。
相位方面也能观察到类似规律。我们都知道,电感的相位始终是90°。
先看感性区,此时电路相当于电阻R和电感jwL并联;当频率降低时,jwL的阻抗会变小,整个并联支路的特性就和纯电感jwL一致,相位也呈感性。
再看容性区,此时电路相当于电阻R和电容1/jwC并联;当频率升高时,1/jwC的阻抗会变小,整个并联支路的特性就和纯电容1/jwC一致,相位也呈容性。
三、串联RLC谐振电路
当电路工作在谐振频率时,输入阻抗就等于电阻 R 的阻值。
这里要和并联RLC电路做个区分:并联电路里,谐振频率下的阻抗是最大值;而串联电路刚好相反,谐振频率下的阻抗是最小值。
四、用ADS软件仿真串联RLC电路
我们用ADS软件对串联RLC电路做仿真,把仿真结果绘成曲线,就能清楚看出电路的工作特性。
它的特性和并联RLC电路刚好相反,我们之前也提过这个核心差异。
这次仿真设定的谐振频率是5GHz,对应的阻抗值为50Ω。
当电感L和电容C的取值趋近于0时,电路里就只剩电阻这一个元件了。
当我们增加频率时候:
当我们减小频率时候:
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