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Q0是怎么和频率带宽扯上关系的呢?

2022/10/12
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大家好,这里是【射频学堂】

在昨天的文章中我们介绍了品质因数Q0的相关概念,这篇文章主要翻译自一篇英文文档,上面的很多概念都是泛泛而谈。

关于Q0和3dB带宽的关系,有同学留言求证,今天我们唠叨唠叨这个。

 

单纯看符号的字面意思,我们很难将品质因数Q0和带宽BW联系起来,尤其是还有中心频率F0. 今天我们一起来解一下这个问题。Q0到底是怎么和频率/带宽扯上关系的呢?

 

这个还要从Q0的最初定义来解答。Q0是描述一个谐振回路品质好坏的一个参量,其定义为一个周期内储能和平均耗能的比值。这个谐振回路既可以是RLC串联谐振回路,也可以是RLC并联谐振回路。

 

我们以一个RLC串联谐振回路为例。

 

这个电路电阻R上的传输函数H(w)的幅度值如下:

 

在谐振频率点w0处,传输函数H(w)的幅度最大等于1,

 

H(ω)的幅度值随着电阻R的不同,响应曲线如下图所示:

 

上图那个幅度值最大的点对应的频率就是RLC串联谐振电路的谐振频率。观察上图,确实发现3dB带宽和R有某种特殊的关系,R越大,3dB带宽越大。

 

在RLC串联谐振回路中,单位周期内消耗的功率就是电阻R消耗的功率P(w)。

 

P(w)是一个关于频率的函数,当在谐振点处,电阻消耗的功率P(w)最大:

 

我们做出传输函数H(w)的功率传输曲线,如下图。看看3dB带宽是怎么来的?

 

3dB带宽,也就是当功率下降一半的时候的带宽。这个3dB来自于10log(1/2)。当功率下降一半,也就是电压下降1/根号(2)时。这时候有:

 

求解上式就可以得到w的两个根,分别是w1和w2

 

这时候,3dB带宽就可以得到了:BW 3dB=w2-w1=R/L

记住了,3dB带宽就和电阻R和电感L联系起来了。这个就为品质因数Q0和带宽的关系埋下了伏笔。

我们接着看RLC串联谐振回路的Q0的计算。在RLC谐振回路的总储能等于电感和电容储能的和:

 

在给定电流和电压情况下,总储能Es可以表示为:

 

在谐振点w0处,

 

而单位周期内的平均耗能Ed就可以表示为:

 

那这个品质因数Q0的公式就可以表示为:

 

我们只取前面Q0和电感的关系:

 

把3dB带宽的公式带入就可以得到:

 

当然角频率w和频率f的关系带入就得到了这个关系,这个Q值和频率的关系,对于实际电路的测试有很大的用处,大大简化了Q0的测试。

 

到这里,大家是不是就清楚了。

同理用RLC并联谐振回路也能得到同样的结果。

表格给出了LC谐振回路最基本的特性公式。不用记住,有个印象就行。

参考文献:

1,详解品质因数Q0

2,Frequency response: Resonance, Bandwidth, Q factor

3,Tuned Circuit Filter Quality Factor

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