大家好,我是硬件微讲堂。这是在电子星球的第13篇原创文章。
前面关于振铃已经写过3篇:
今天再聊,就是第4篇了。今天要聊的是LC谐振的强度 或者说是LC振铃的幅值。
1、第一个问题来了
读过上一篇振铃文章的小伙伴对下图应该不陌生,这是不同频率的正弦波打入LC谐振网络后的输出波形,特别是50MHz信号输入时,充分体现了LC串联谐振的选频特性。
从上图可以看出,VF3[3]波形虽然已远大于输入信号(正弦波 1V)的幅值,但仍未达到稳态,看振荡趋势,振幅仍在增加。
那么,第一个问题来了:VF3[3]振荡波形的振幅到底会增大到多少呢?
2、再度仿真
既然问题已经抛出来,而且是个不错的问题。那么我们不妨带着问题,对这个仿真模型继续分析。注意此次分析,并不是为了验证选频特性,我们要看振幅!
为了保证文章的独立可阅读性,仿真模型再贴一次。VG1为激励源,R1为激励源的内阻,L1和C1组成LC网络,VF1/VF2/VF3分别为测试点,便于观察波形。仿真软件依然是TINA-TI。
激励源VG1设置为变量,分别设置频率为10MHz、20MHz、50MHz、100MHz,振幅为1V的正弦波。
我们用“瞬时分析”,并把分析时间设置为2us,运行得到如下结果。可以看出VF3对应的紫色曲线,在1us后振荡才达到稳态,上一篇文章我们设置的分析时间是300ns,当然达不到稳态。
3、第二个问题来了
为了方便观察波形的幅值,我们对上图中1.5us后的波形进行局部放大。如下图所示,VF3振荡波形的峰值可达到29.57V,将近30V,是输入波形的30倍!
那么,第二个问题来了:VF3[3]的振荡幅值达到30V,是否有内在关联逻辑?
4、拨开迷雾
前面在讲电感时,有提到过品质因数Q值,那是以电感自身为分析对象,Q值计算公式中的R和C是电感自身的直流阻抗Rdc,交流阻抗Rac和寄生电容C。而今天我们要说的品质因数Q值是以RLC电路为分析对象。
LC串联谐振,发生谐振时,(电感端)输出电压的波形峰值约为输入电压的Q倍。即Q值越大,谐振强度越强,振幅也就越大。
如上,R=10Ω,L=1uH,C=10pf,则Q=31.6。谐振时,输出电压的峰值应该是输入电压的31.6倍,即31.6V。我们仿真得出30V,结果近似,不过稍有些许偏差。
如果我们把电阻的阻值调整为50欧姆,输出波形的峰值会怎样呢?
通过计算,Q=6.3,即输出电压的峰值应是输如电压的6.3倍。到底是不是这样呢,我们再仿真看下。如下图所示,仿真结果峰值为6.2V,结果近似。
如果把R值调整为100欧姆,输出波形的峰值又会怎样?
根据公式计算,Q=3.16,即输出电压的峰值应是输如电压的3.16倍。如下图所示,通过仿真,仿真的波形峰值为3.12V,结果近似。
通过3次计算和仿真,计算出的Q值和仿真的幅值都近似。后续再有振铃问题,我们就可以通过计算RLC电路的Q值来评估谐振的强度。这样是不是很方便快捷?
5、总结
基于我们搭建的仿真模型以及适当的激励源输入前提下,引出了两个问题:
问题①:VF3[3]振荡波形的振幅到底会增大到多少?
问题②:VF3[3]的振荡幅值达到30V,是否有内在关联逻辑?
LC串联谐振,发生谐振时,(电感端)输出电压的波形峰值约为输入电压的Q倍。并且我们通过调整3种不同的R值,验证了该结论的合理性。
(PS:这里说是近似约等于,并不是完全相同,可用于幅值估算,供参考)
后续,可通过计算RLC电路的Q值来评估谐振的强度,方便快捷!Q值越大,谐振强度越强,振幅也就越大。
这里再抛出来另外一个问题:在验证Q值与幅值关系时,为什么只修改电阻R,而不修改电感L和电容C呢?欢迎留言讨论。
经过本次讨论,相信你对振铃现象的理解又深了一步。
怎么样?一个简短的问题,给出的回答可浅可深,就看你对这个知识点的理解达到怎样的程度。你学废了么?
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