В предишната статия обсъдихме основите на съвпадението на импеданса и как да използваме трансформатор за съвпадение на импеданса. Освен че използват трансформатор за съвпадение на импеданс, дизайнерите могат да използват и схеми на импедансния филтър на изхода на RF усилвател, който може да се удвои като филтрираща верига, а също и като верига за импедансно съответствие. Има много типове филтърни вериги, които могат да се използват за съвпадение на импеданса, най-често срещаните са разгледани в тази статия.
LC съвпадение на филтъра
Различни LC филтри могат да се използват за съпоставяне на импедансите и осигуряване на филтриране. Филтрирането е особено важно за изхода на мощните RF усилватели, тъй като те генерират много нежелани хармоници, които трябва да бъдат филтрирани, преди да бъдат предадени от антената, тъй като те могат да причинят смущения и предаване на честоти, различни от тези, които станцията е одобрена да предава на може да бъде незаконно. Ще покрием нискочестотни LC филтритъй като усилвателите на радио мощност генерират само хармоници, а хармоничните сигнали винаги са цялото множество от базовите сигнали, така че те винаги имат по-високи честоти от базовия сигнал - ето защо ние използваме нискочестотни филтри, те пропускат желания сигнал, докато получават отървете се от хармониците. Когато проектираме LC филтри, ще говорим за съпротивление на източника и съпротивление на натоварване вместо импеданс, защото ако натоварването или източникът има някаква последователна или паралелна индуктивност или капацитет и следователно нерезистивен импеданс изчисленията стават много по-сложни. В този случай най-добре е да използвате PI филтър или L филтър калкулатор. В повечето случаи, като интегрални схеми, правилно изработени и настроени антени, телевизионни и радиоприемници, предаватели и др. Изходен / входен импеданс = съпротивление.
“Q” фактор
Всеки LC филтър има параметър, известен като Q (качествен) фактор, в нискочестотния и високочестотния филтър той определя стръмността на честотната характеристика. Филтърът с нисък Q ще бъде много широколентов и няма да филтрира нежелани честоти толкова добре, колкото филтър с висок Q. Високият Q филтър ще филтрира нежеланите честоти, но ще има резонансен пик, така че ще действа и като лентов филтър. Високият Q фактор понякога намалява ефективността.
L филтри
L филтрите са най-простата форма на LC филтри. Те се състоят от кондензатор и индуктор, свързани по начин, подобен на този, който се намира в RC филтрите, като индукторът замества резистора. Те могат да се използват за съчетаване на импеданс, който е по-висок или по-нисък от импеданса на източника. Във всеки L филтър има само една комбинация от L и C, която може да съответства на даден входен импеданс с даден изходен импеданс.
Например, за да съпоставим натоварване от 50 Ω със натоварване от 100 Ω при 14MHz, се нуждаем от 560nH индуктор с кондензатор 114pF - това е единствената комбинация, която може да направи съвпадение на тази честота с тези съпротивления. Техният Q фактор и следователно колко добър е филтърът
√ ((R A / R B) -1) = Q
Когато R A е по-големият импеданс, RL е по-малкият импеданс, а Q е Q коефициентът със съответния свързан товар.
В нашия случай зареденото Q ще бъде равно на √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Ако искахме повече или по-малко филтриране (различно Q), ще ни трябва PI филтър, където Q е напълно регулируем и можете да имате различни L и C комбинации, които могат да ви дадат необходимото съвпадение при дадена честота, всяка с различно Q.
За да изчислим стойностите на компонентите на L филтъра, са ни необходими три неща: изходно съпротивление на източника, съпротивление на товара и честота на работа.
Например, изходното съпротивление на източника ще бъде 3000 Ω, съпротивлението на натоварване ще бъде 50 Ω, а честотата е 14 MHz. Тъй като нашето съпротивление на източника е по-голямо от съпротивлението на натоварване, ние ще използваме филтъра „b“
Първо, трябва да изчислим реактивното съпротивление на двата компонента на L филтър, след което можем да изчислим индуктивността и капацитета въз основа на реактивността и честотата на използване:
X L = √ (R S * (R L -R S)) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √147500 Ω 2 X L = 384,1 Ω
Използваме калкулатор на реактивно съпротивление, за да определим индуктивност, която има съпротивление 384,1 Ω при 14MHz
L = 4,37 μH X C = (R S * R L) / X L X C = (50 Ω * 3000 Ω) / 384,1 Ω X C = 150000 Ω 2 / 384,1 Ω X C = 390,6 Ω
Използваме калкулатор на реактивно съпротивление, за да определим индуктивност, която има 390,6 Ω съпротивление при 14MHz
С = 29,1 pF
Както можете да видите, честотната характеристика на филтъра е нискочестотен с резонансен пик при 14MHz, резонансният пик се причинява от филтъра с високо Q, ако Q е по-нисък, филтърът ще бъде нискочестотен без пик. Ако искахме различно Q, така че филтърът да е по-широколентов, ще трябва да използваме PI филтър, защото Q на L филтъра зависи от съпротивлението на източника и устойчивостта на натоварване. Ако използваме тази схема, за да съответства на изходния импеданс на тръба или транзистор, ще трябва да извадим изхода към кондензатора на кондензатора на филтъра, тъй като те са успоредни. Ако използваме транзистор с капацитет на колектор-емитер (известен още като изходен капацитет) от 10pF, капацитетът на C трябва да бъде 19.1 pF вместо 29.1 pF.
PI филтри
PI филтърът е много гъвкава съвпадаща схема, той се състои от 3 реактивни елемента, обикновено два кондензатора и един индуктор. За разлика от L филтъра, където само една комбинация от L и C дава необходимото импедансно съвпадение при дадена честота, PI филтърът позволява множество комбинации от C1, C2 и L за постигане на желаното импедансно съвпадение, като всяка комбинация има различно Q.
PI филтрите се използват по-често в приложения, където има нужда от настройка към различни съпротивления на натоварване или дори сложни импеданси, като RF усилватели на мощността, тъй като съотношението им вход / импеданс (r i) се определя от съотношението на кондензаторите на квадрат, така че при настройка на различен импеданс намотката може да остане същата, докато са настроени само кондензатори. C1 и C2 в RF усилвателите на мощност често са променливи.
(C1 / C2) ² = r i
Когато искаме по- широколентов филтър, използваме Q малко над Q крит, когато искаме по-остър филтър, като например на изхода на RF усилвател на мощност, използваме Q, който е много по-голям от Q крит, но под 10, като колкото по-високо е Q на филтъра, толкова по-ниска е ефективността. Типичното Q на PI филтрите в RF изходните етапи е 7, но тази стойност може да варира.
Q крит = √ (R A / R B -1)
Където: R A е по-голямото от двете съпротивления (източник или товар), а R B е по-малкото съпротивление. Като цяло, PI филтърът при по-високо Q може да се разглежда, като се игнорира съвпадението на импеданса като паралелна резонансна верига, направена от намотка L и кондензатор C с капацитет, равен на:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Тази резонансна верига трябва да резонира с честотата, на която ще се използва филтърът.
За да изчислим стойностите на компонентите на PI филтъра се нуждаем от четири неща: изходно съпротивление на източника, съпротивление на товара, честота на работа и Q.
Например, трябва да съпоставим 8Ω източник с 75Ω товар с Q 7.
R A е по-голямото от двете съпротивления (източник или товар) и R B е по-малкото съпротивление.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Използваме калкулатор на реактивно съпротивление, за да определим капацитет, който има 10,7 Ω съпротивление при 7 MHz
C1 = 2,12 nF X L = (Q * R A + (R A * R B / X C2)) / (Q 2 +1) X L = (7 * 75 Ω + (75 Ω * 8 Ω / 3,59 Ω)) / 7 2 +1 X L = (575 Ω + (600 Ω 2 /3.59 Ω)) / 50 X L = (575 Ω + (167 Ω)) / 50 X L = 742 Ω / 50 X L = 14.84 Ω
Използваме калкулатор на реактивно съпротивление, за да определим индуктивност, която има съпротивление 14,84 Ω при 7 MHz
L = 340 nH X C2 = R B * √ ((R A / R B) / (Q 2 + 1- (R A / R B))) X C2 = 8 Ω * √ ((75 Ω / 8 Ω) / (Q 2 + 1- (75 Ω / 8 Ω))) X C2 = 8 Ω * √ (9.38 / (49 + 1-3.38)) X C2 = 8 Ω * √ (9.38 / 46.62) X C2 = 8 Ω * √0,2 X C2 = 8 Ω * 0,45 X C2 = 3,59 Ω
Използваме калкулатор на реактивно съпротивление, за да определим капацитет, който има съпротивление 3,59 Ω при 7 MHz
C2 = 6.3nF
Както при L филтъра, ако нашето изходно устройство има някакъв изходен капацитет (плоча катод за тръби, колектор към излъчвател за BJT, често просто изходен капацитет за MOSFET, тръби и BJT), трябва да го извадим от C1, защото този капацитет е свързани паралелно с него. Ако използвахме транзистор IRF510 с изходен капацитет 180 pF, като изходно устройство C1 ще трябва да бъде 6,3 nF-0,18 nF, така че 6,17 nF. Ако използвахме множество транзистори паралелно, за да получим по-висока изходна мощност, капацитетите биха се събрали.
За 3 IRF510 би било 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, така че 5,76 nF вместо 6,3 nF.
Други LC вериги, използвани за съпоставяне на импеданс
Има многобройни различни LC вериги, използвани за съвпадение на импедансите, като T филтри, специални съвпадащи вериги за транзисторни усилватели на мощност или PI-L филтри (PI филтър с допълнителен индуктор).
