I den forrige artikel diskuterede vi det grundlæggende ved impedanstilpasning og hvordan man bruger en impedanstilpasningstransformator. Bortset fra at bruge en impedanstilpasningstransformator, kan designere også bruge impedansfilterkredsløb ved udgangen af en RF-forstærker, som kan fordoble som et filtreringskredsløb og også som et impedansmatchningskredsløb. Der er mange typer filterkredsløb, der kan bruges til impedanstilpasning, de mest almindelige diskuteres i denne artikel.
LC Filter Matching
Forskellige LC-filtre kan bruges til at matche impedanser og give filtrering. Filtrering er især vigtig for output af effekt-RF-forstærkere, fordi de genererer en masse uønskede overtoner, der skal filtreres, før de transmitteres af antennen, fordi de kan forårsage interferens og transmittere på andre frekvenser end dem, som stationen er godkendt til at sende på kan være ulovligt. Vi dækker lavpas LC-filtrefordi radioforstærkere kun genererer harmoniske, og harmoniske signaler altid er hele multiple af basissignalerne, så de altid har højere frekvenser end basissignalet - det er derfor, vi bruger lavpasfiltre, de slipper det ønskede signal igennem, mens vi får slippe af med harmoniske. Når vi designer LC-filtre, vil vi tale om kildemodstand og belastningsmodstand i stedet for impedans, for hvis belastningen eller kilden har en række serier eller parallel induktans eller kapacitans og derfor ikke-resistiv impedans, bliver beregningerne meget mere komplekse. I dette tilfælde er det bedst at bruge et PI-filter eller L-filterberegner. I de fleste tilfælde, såsom integrerede kredsløb, korrekt fremstillede og tunede antenner, tv- og radiomodtagere, sendere osv. Output / inputimpedans = modstand.
"Q" -faktor
Hvert LC-filter har en parameter kendt som en Q (kvalitets) faktor, i lavpas- og højpasfiltrene bestemmer det, hvor hyppigt frekvensresponset er. Et filter med lavt Q vil være meget bredbånd og filtrerer ikke uønskede frekvenser ud så godt som et højt Q-filter. Et filter med højt Q filtrerer uønskede frekvenser, men det vil have en resonant top, så det fungerer også som et båndpasfilter. En høj Q-faktor reducerer undertiden effektiviteten.
L-filtre
L-filtre er den enkleste form for LC-filtre. De består af en kondensator og en induktor, der er forbundet på en måde, der ligner den, der findes i RC-filtre, hvor induktoren erstatter modstanden. De kan bruges til at matche impedans, der er højere eller lavere end kildeimpedansen. I hvert L-filter er der kun en kombination af L og C, der kan matche en given indgangsimpedans med den givne udgangsimpedans.
For at matche en 50 Ω belastning med en 100 Ω belastning ved 14 MHz har vi brug for en 560nH-induktor med en 114pF kondensator - dette er den eneste kombination, der kan matche ved denne frekvens med disse modstande. Deres Q-faktor, og derfor hvor godt filteret er lig med
√ ((R A / R B) -1) = Q
Hvor R A er den største impedans, er RL den mindre impedans, og Q er Q-faktoren med den tilsluttede belastning.
I vores tilfælde vil den indlæste Q være lig med √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Hvis vi ville have mere eller mindre filtrering (forskellige Q), ville vi have brug for PI-filter, hvor Q er fuldt justerbar, og du kan have forskellige L- og C-kombinationer, der kan give dig den nødvendige matchning ved en given frekvens, hver med en anden Q.
For at beregne værdierne for L-filterkomponenter har vi brug for tre ting: kildens outputmodstand, belastningens modstand og driftsfrekvensen.
For eksempel vil udgangsmodstanden for kilden være 3000 Ω, belastningsmodstanden er 50 Ω, og frekvensen er 14 MHz. Da vores kildemodstand er større end belastningsmodstanden, bruger vi filteret “b”
Først skal vi beregne reaktansen for de to komponenter i et L-filter, så kan vi beregne induktansen og kapacitansen baseret på reaktans og brugsfrekvens:
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
Vi bruger en reaktansberegner til at bestemme en induktans, der har en 384,1 Ω reaktans ved 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
Vi bruger en reaktansberegner til at bestemme en induktans, der har en 390,6 Ω reaktans ved 14 MHz
C = 29,1 pF
Som du kan se, er filterets frekvensrespons et lavt pass med en resonant-top ved 14MHz, resonans-toppen er forårsaget af, at filteret har en høj Q, hvis Q var lavere, ville filteret være lavpas uden en top. Hvis vi ønskede en anden Q, så filteret ville være mere bredbånd, skulle vi bruge et PI-filter, fordi L-filterets Q afhænger af kildemodstand og belastningsmodstand. Hvis vi bruger dette kredsløb til at matche udgangsimpedansen fra et rør eller en transistor, skal vi trække udgangen til jordkapacitans fra filterets kondensator, fordi de er parallelle. Hvis vi bruger en transistor med en kollektor-emitterkapacitans (alias outputkapacitans) på 10pF, skal kapacitansen på C være 19,1 pF i stedet for 29,1 pF.
PI-filtre
PI-filteret er et meget alsidigt matchende kredsløb, det består af 3 reaktive elementer, normalt to kondensatorer og en induktor. I modsætning til L-filteret, hvor kun en kombination af L og C gav den krævede impedanstilpasning ved en given frekvens, tillader PI-filteret flere kombinationer af C1, C2 og L for at opnå den ønskede impedanstilpasning, idet hver kombination har en anden Q.
PI-filtre bruges oftere i applikationer, hvor der er behov for indstilling til forskellige belastningsmodstande eller endda komplekse impedanser, såsom RF-effektforstærkere, fordi deres input til output impedansforhold (r i) bestemmes af forholdet mellem kondensatorer i kvadrat, ved indstilling til en anden impedans kan spolen forblive den samme, mens kun kondensatorer er indstillet. C1 og C2 i RF-forstærkere er ofte variable.
(C1 / C2) ² = r i
Når vi ønsker et mere bredbåndsfilter, bruger vi Q lidt over Q crit, når vi ønsker et skarpere filter, f.eks. Ved udgangen af en RF-effektforstærker bruger vi Q, der er meget større end Q crit, men under 10, som højere filterets Q jo lavere effektivitet. Typisk Q for PI-filtre i RF-udgangstrin er 7, men denne værdi kan variere.
Q crit = √ (R A / R B -1)
Hvor: R A er den højeste af de to (kilde- eller belastnings-) modstande, og R B er den mindre modstand. Generelt kan PI-filteret ved højere Q betragtes, idet man ignorerer impedanstilpasning som et parallelt resonanskredsløb fremstillet af en spole L og en kondensator C med en kapacitans lig med:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Dette resonanskredsløb skal resonere med den frekvens, filteret vil blive brugt.
For at beregne værdierne for et PI-filterkomponenter har vi brug for fire ting: kildens outputmodstand, belastningens modstand, driftsfrekvensen og Q.
For eksempel skal vi matche en 8Ω kilde til en 75Ω belastning med en Q på 7.
R A er den højeste af de to (kilde eller belastning) modstande, og R B er den mindste modstand.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Vi bruger en reaktansberegner til at bestemme en kapacitans, der har en 10,7 Ω reaktans ved 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
Vi bruger en reaktansberegner til at bestemme en induktans, der har en 14,84 Ω reaktans ved 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
Vi bruger en reaktansberegner til at bestemme en kapacitans, der har en 3,59 Ω reaktans ved 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Som med L-filteret, hvis vores outputenhed har en outputkapacitans (pladekatode til rør, kollektor til emitter til BJT, ofte bare outputkapacitans til MOSFET'er, rør og BJT'er), er vi nødt til at trække den fra C1, fordi den kapacitans er forbundet parallelt med den. Hvis vi brugte en IRF510-transistor med en 180 pF udgangskapacitans, ville en kraftudgangsenhed C1 være 6,3 nF-0,18 nF, så 6,17 nF. Hvis vi brugte flere transistorer parallelt for at få en højere udgangseffekt, ville kapacitanserne summeres.
For 3 IRF510 ville det være 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, så 5,76 nF i stedet for 6,3 nF.
Andre LC-kredsløb Bruges til impedanstilpasning
Der er mange forskellige LC-kredsløb, der bruges til at matche impedanser, såsom T-filtre, specielle matchende kredsløb til transistoreffektforstærkere eller PI-L-filtre (PI-filter med en ekstra induktor).
