- Соответствие LC-фильтра
- L фильтры
- PI фильтры
- Другие LC-схемы, используемые для согласования импеданса
В предыдущей статье мы обсудили основы согласования импеданса и то, как использовать трансформатор согласования импеданса. Помимо использования согласующего трансформатора импеданса, разработчики могут также использовать цепи импедансного фильтра на выходе ВЧ усилителя, который может использоваться как схема фильтрации, а также как схема согласования импеданса. Существует много типов схем фильтров, которые можно использовать для согласования импеданса, наиболее распространенные из них обсуждаются в этой статье.
Соответствие LC-фильтра
Для согласования импедансов и обеспечения фильтрации могут использоваться различные LC-фильтры. Фильтрация особенно важна на выходе мощных ВЧ-усилителей, потому что они генерируют множество нежелательных гармоник, которые необходимо отфильтровать, прежде чем они будут переданы антенной, потому что они могут вызывать помехи и передачу на частотах, отличных от тех, на которые станция утверждена для передачи. может быть незаконным. Мы рассмотрим LC-фильтры нижних частот.поскольку усилители мощности радиосигнала генерируют только гармоники, а гармонические сигналы всегда кратны базовым сигналам, поэтому они всегда имеют более высокие частоты, чем базовый сигнал - вот почему мы используем фильтры нижних частот, они пропускают полезный сигнал, получая избавиться от гармоник. При разработке LC-фильтров мы будем говорить об сопротивлении источника и сопротивлении нагрузки, а не об импедансе, потому что, если нагрузка или источник имеют некоторую последовательную или параллельную индуктивность или емкость и, следовательно, нерезистивное сопротивление, вычисления становятся намного более сложными. В этом случае лучше всего использовать фильтр PI или калькулятор фильтра L. В большинстве случаев, например, интегральные схемы, правильно сделанные и настроенные антенны, теле- и радиоприемники, передатчики и т. Д. Выходное / входное сопротивление = сопротивление.
«Q» фактор
Каждый LC-фильтр имеет параметр, известный как коэффициент качества (Q), в фильтрах нижних и верхних частот он определяет крутизну частотной характеристики. Фильтр с низкой добротностью будет очень широкополосным и не будет отфильтровывать нежелательные частоты так же хорошо, как фильтр с высокой добротностью. Фильтр с высокой добротностью будет отфильтровывать нежелательные частоты, но он будет иметь резонансный пик, поэтому он также будет действовать как полосовой фильтр. Высокая добротность иногда снижает эффективность.
L фильтры
L-фильтры - это простейшая форма LC-фильтров. Они состоят из конденсатора и катушки индуктивности, подключенных аналогично RC-фильтрам, причем катушка индуктивности заменяет резистор. Их можно использовать для согласования импеданса выше или ниже импеданса источника. В каждом фильтре L есть только одна комбинация L и C, которая может соответствовать заданному входному сопротивлению с заданным выходным сопротивлением.
Например, чтобы согласовать нагрузку 50 Ом с нагрузкой 100 Ом на частоте 14 МГц, нам понадобится индуктор 560 нГн с конденсатором 114 пФ - это единственная комбинация, которая может согласовывать на этой частоте с этими сопротивлениями. Их добротность и, следовательно, насколько хорош фильтр, равен
√ ((R A / R B) -1) = Q
Где R A - больший импеданс, RL - меньший импеданс, а Q - коэффициент добротности при подключенной соответствующей нагрузке.
В нашем случае загруженный Q будет равен √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Если бы мы хотели более или менее фильтровать (другой Q), нам потребовалось бы Фильтр PI, где Q полностью регулируется, и вы можете иметь разные комбинации L и C, которые могут дать вам необходимое согласование на данной частоте, каждая с другим Q.
Для расчета значений L компонентов фильтра нам нужны три вещи: выходное сопротивление источника, сопротивление нагрузки и частота срабатывания.
Например, выходное сопротивление источника будет 3000 Ом, сопротивление нагрузки - 50 Ом, частота - 14 МГц. Поскольку сопротивление нашего источника больше, чем сопротивление нагрузки, мы будем использовать фильтр «b».
Сначала нам нужно рассчитать реактивные сопротивления двух компонентов L-фильтра, затем мы можем рассчитать индуктивность и емкость на основе реактивного сопротивления и частоты использования:
X L = √ (R S * (R L -R S)) X L = √ (50 Ом * (3000 Ом - 50 Ом) X L = √ (50 Ом * (3000 Ом - 50 Ом) X L = √ (50 Ом * 2950 Ом) X L = √ (50 Ом * 2950 Ом) X L = √147500 Ом 2 X L = 384,1 Ом
Мы используем калькулятор реактивного сопротивления для определения индуктивности, которая имеет реактивное сопротивление 384,1 Ом на частоте 14 МГц.
L = 4,37 мкГн X C = (R S * R L) / X L X C = (50 Ом * 3000 Ом) / 384,1 Ом X C = 150000 Ом 2 / 384,1 Ом X C = 390,6 Ом
Мы используем калькулятор реактивного сопротивления, чтобы определить индуктивность, которая имеет реактивное сопротивление 390,6 Ом на частоте 14 МГц.
C = 29,1 пФ
Как вы можете видеть, частотная характеристика фильтра - это низкочастотный фильтр с резонансным пиком на 14 МГц, резонансный пик вызван фильтром с высокой добротностью, если бы добротность была ниже, фильтр был бы низкочастотным без пика. Если нам нужен другой Q, чтобы фильтр был более широкополосным, нам нужно было бы использовать PI-фильтр, потому что Q L-фильтра зависит от сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Если мы используем эту схему для согласования выходного импеданса лампы или транзистора, нам нужно будет вычесть выходную емкость относительно земли из конденсатора фильтра, потому что они включены параллельно. Если мы используем транзистор с емкостью коллектор-эмиттер (также известной как выходная емкость) 10 пФ, емкость C должна быть 19,1 пФ вместо 29,1 пФ.
PI фильтры
ПИ-фильтр - это очень универсальная согласующая схема, она состоит из 3 реактивных элементов, обычно двух конденсаторов и одного индуктора. В отличие от L-фильтра, где только одна комбинация L и C дала требуемое согласование импеданса на заданной частоте, PI-фильтр позволяет использовать несколько комбинаций C1, C2 и L для достижения желаемого согласования импеданса, причем каждая комбинация имеет различную Q.
ПИ-фильтры чаще используются в приложениях, где есть необходимость настройки на различные сопротивления нагрузки или даже комплексные импедансы, такие как усилители мощности ВЧ, потому что их отношение входного и выходного импеданса (r i) определяется отношением конденсаторов в квадрате, поэтому при настройке на другой импеданс катушка может оставаться такой же, а настраиваются только конденсаторы. C1 и C2 в усилителях мощности RF часто изменяются.
(C1 / C2) ² = r i
Когда нам нужен более широкополосный фильтр, мы используем Q немного выше Q крит, когда нам нужен более резкий фильтр, например, на выходе усилителя мощности ВЧ мы используем Q, который намного больше, чем Q крит, но ниже 10, как чем выше Q фильтра, тем ниже эффективность. Типичная добротность ПИ-фильтров в выходных ВЧ каскадах составляет 7, но это значение может варьироваться.
Q крит = √ (R A / R B -1)
Где: R A - большее из двух сопротивлений (источника или нагрузки), а R B - меньшее сопротивление. В общем, фильтр PI с более высокой добротностью можно рассматривать, игнорируя согласование импеданса, как параллельный резонансный контур, состоящий из катушки L и конденсатора C с емкостью, равной:
С = (С1 * С2) / (С1 + С2)
Этот резонансный контур должен резонировать на частоте, на которой будет использоваться фильтр.
Для расчета значений компонентов ПИ-фильтра нам нужны четыре вещи: выходное сопротивление источника, сопротивление нагрузки, частота срабатывания и добротность.
Например, нам нужно согласовать источник 8 Ом с нагрузкой 75 Ом с добротностью 7.
R A - большее из двух сопротивлений (источника или нагрузки), а R B - меньшее сопротивление.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ом / 7 X C1 = 10,7 Ом
Мы используем калькулятор реактивного сопротивления для определения емкости, которая имеет реактивное сопротивление 10,7 Ом на частоте 7 МГц.
C1 = 2,12 нФ X L = (Q * R A + (R A * R B / X C2)) / (Q 2 +1) X L = (7 * 75 Ом + (75 Ом * 8 Ом / 3,59 Ом)) / 7 2 +1 X L = (575 Ом + (600 Ом 2 / 3,59 Ом)) / 50 X L = (575 Ом + (167 Ом)) / 50 X L = 742 Ом / 50 X L = 14,84 Ом
Мы используем калькулятор реактивного сопротивления, чтобы определить индуктивность, которая имеет реактивное сопротивление 14,84 Ом на частоте 7 МГц.
L = 340 нГн X C2 = R B * √ ((R A / R B) / (Q 2 + 1- (R A / R B))) X C2 = 8 Ом * √ ((75 Ом / 8 Ом) / (Q 2 + 1- (75 Ом / 8 Ом))) X C2 = 8 Ом * √ (9,38 / (49 + 1-3,38)) X C2 = 8 Ом * √ (9,38 / 46,62) X C2 = 8 Ом * √0,2 X C2 = 8 Ом * 0,45 X C2 = 3,59 Ом
Мы используем калькулятор реактивного сопротивления для определения емкости, которая имеет реактивное сопротивление 3,59 Ом на частоте 7 МГц.
C2 = 6,3 нФ
Как и в случае с фильтром L, если у нашего выходного устройства есть выходная емкость (пластина-катод для ламп, коллектор-эмиттер для BJT, часто просто выходная емкость для MOSFET, ламп и BJT), нам нужно вычесть ее из C1, потому что эта емкость равна подключен параллельно к нему. Если бы мы использовали транзистор IRF510 с выходной емкостью 180 пФ, в качестве устройства вывода мощности C1 потребовалось бы 6,3 нФ-0,18 нФ, то есть 6,17 нФ. Если бы мы использовали несколько транзисторов параллельно, чтобы получить более высокую выходную мощность, емкости суммировались бы.
Для 3 IRF510 это будет 6,3 нФ-0,18 нФ * 3 = 6,3 нФ-0,54 нФ, поэтому 5,76 нФ вместо 6,3 нФ.
Другие LC-схемы, используемые для согласования импеданса
Существует множество различных LC-цепей, используемых для согласования импедансов, таких как Т-фильтры, специальные согласующие цепи для транзисторных усилителей мощности или фильтры PI-L (фильтр PI с дополнительной индуктивностью).
