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CR · 频率响应

带通与带宽

谐振能清楚地选出一个频率,但实际上它让该频率周围的一条窄带通过。本单元学习用品质因数 Q 这一个数来处理这条带有多窄。

品质因数决定通带的宽度

图中是谐振频率附近的带通曲线,阴影部分是通带。增大品质因数 Q,峰的两侧变陡,通带随之变窄。调节 Q,使带宽 BW 达到目标 0.25。这里的带宽用相对于谐振频率的比值来衡量。

品质因数 QQ = 1.0
带宽与品质因数
BW = ω_0/Q = 1.00
离目标很远

通带由半功率点界定

带通滤波器是在串联 RLC 中以电阻两端为输出,在谐振频率 ω_0 处增益达到最大值 1,向两侧逐渐下降。必须决定通带到哪里为止,惯例是取增益降到最大值 1/√2、即功率降到一半的两个频率。这两个边缘就是半功率(−3dB)频率,两者之间就是通带。

带宽是 BW = ω_0/Q

两个半功率频率之间的间隔就是带宽 BW。计算一下,BW 正好等于谐振频率除以品质因数,即 BW = ω_0/Q。品质因数 Q 大时,峰的两侧变陡,带宽变窄;Q 小时,峰变得平缓,带宽变宽。峰顶的高度与 Q 无关,保持不变,变化的只有宽度。

用一个 Q 设计选择性

收音机或通信接收机必须只选出想要的那一个频道,舍弃相邻频道。为此需要与频道宽度相匹配的窄带宽,并由 BW = ω_0/Q 反过来确定所需的 Q。本图把 ω_0 取为 1,带宽按它的比值来衡量,所以目标 0.25 对应 Q = 4。不过 Q 取得过大,频带会窄过头,连信号边缘的信息都可能被切掉,所以要在需要通过的宽度和需要阻挡的宽度之间折中选取 Q。

观察BW = ω0/Q
带宽与 Q 成反比。
选择|H| = ? (−3dB)
半功率边缘是最大值的 1/√2。
填空Q = ω0 / ?
品质因数等于谐振频率除以带宽。
自己来Q ×2 → BW ?
Q 加倍,带宽减半。

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增大品质因数 Q 时,带通峰的两侧变陡,阴影表示的通带逐渐变窄,在 Q = 4 处 BW 达到 0.25。峰的形状与通过的频带宽度,只由 BW = ω_0/Q 这一个式子联系在一起。如果说谐振发生在哪里由 ω_0 决定,那么它周围的频带放得多窄,就由品质因数 Q 决定。

带通滤波器只让谐振频率 ω0 附近的频带通过。带宽 BW 是增益为最大值 1/√2(半功率,−3dB)的两个频率之间的间隔,BW = ω0/Q。品质因数 Q 越大,带宽越窄,选择性越强;由 Q = ω0/BW 可知两者互成反比。