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Q0是怎么和頻率帶寬扯上關(guān)系的呢?

2022/10/12
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閱讀需 4 分鐘
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大家好,這里是【射頻學堂】

在昨天的文章中我們介紹了品質(zhì)因數(shù)Q0的相關(guān)概念,這篇文章主要翻譯自一篇英文文檔,上面的很多概念都是泛泛而談。

關(guān)于Q0和3dB帶寬的關(guān)系,有同學留言求證,今天我們嘮叨嘮叨這個。

 

單純看符號的字面意思,我們很難將品質(zhì)因數(shù)Q0和帶寬BW聯(lián)系起來,尤其是還有中心頻率F0. 今天我們一起來解一下這個問題。Q0到底是怎么和頻率/帶寬扯上關(guān)系的呢?

 

這個還要從Q0的最初定義來解答。Q0是描述一個諧振回路品質(zhì)好壞的一個參量,其定義為一個周期內(nèi)儲能和平均耗能的比值。這個諧振回路既可以是RLC串聯(lián)諧振回路,也可以是RLC并聯(lián)諧振回路。

 

我們以一個RLC串聯(lián)諧振回路為例。

 

這個電路電阻R上的傳輸函數(shù)H(w)的幅度值如下:

 

在諧振頻率點w0處,傳輸函數(shù)H(w)的幅度最大等于1,

 

H(ω)的幅度值隨著電阻R的不同,響應(yīng)曲線如下圖所示:

 

上圖那個幅度值最大的點對應(yīng)的頻率就是RLC串聯(lián)諧振電路的諧振頻率。觀察上圖,確實發(fā)現(xiàn)3dB帶寬和R有某種特殊的關(guān)系,R越大,3dB帶寬越大。

 

在RLC串聯(lián)諧振回路中,單位周期內(nèi)消耗的功率就是電阻R消耗的功率P(w)。

 

P(w)是一個關(guān)于頻率的函數(shù),當在諧振點處,電阻消耗的功率P(w)最大:

 

我們做出傳輸函數(shù)H(w)的功率傳輸曲線,如下圖??纯?dB帶寬是怎么來的?

 

3dB帶寬,也就是當功率下降一半的時候的帶寬。這個3dB來自于10log(1/2)。當功率下降一半,也就是電壓下降1/根號(2)時。這時候有:

 

求解上式就可以得到w的兩個根,分別是w1和w2

 

這時候,3dB帶寬就可以得到了:BW 3dB=w2-w1=R/L

記住了,3dB帶寬就和電阻R和電感L聯(lián)系起來了。這個就為品質(zhì)因數(shù)Q0和帶寬的關(guān)系埋下了伏筆。

我們接著看RLC串聯(lián)諧振回路的Q0的計算。在RLC諧振回路的總儲能等于電感和電容儲能的和:

 

在給定電流和電壓情況下,總儲能Es可以表示為:

 

在諧振點w0處,

 

而單位周期內(nèi)的平均耗能Ed就可以表示為:

 

那這個品質(zhì)因數(shù)Q0的公式就可以表示為:

 

我們只取前面Q0和電感的關(guān)系:

 

把3dB帶寬的公式帶入就可以得到:

 

當然角頻率w和頻率f的關(guān)系帶入就得到了這個關(guān)系,這個Q值和頻率的關(guān)系,對于實際電路的測試有很大的用處,大大簡化了Q0的測試。

 

到這里,大家是不是就清楚了。

同理用RLC并聯(lián)諧振回路也能得到同樣的結(jié)果。

表格給出了LC諧振回路最基本的特性公式。不用記住,有個印象就行。

參考文獻:

1,詳解品質(zhì)因數(shù)Q0

2,F(xiàn)requency response: Resonance, Bandwidth, Q factor

3,Tuned Circuit Filter Quality Factor

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