I forrige artikkel diskuterte vi det grunnleggende om impedansmatching og hvordan man bruker en impedansmatchingstransformator. Bortsett fra å bruke en impedanstilpasningstransformator, kan designere også bruke impedansfilterkretser ved utgangen til en RF-forsterker som kan doble opp som en filterkrets og også som en impedansmatchingskrets. Det er mange typer filterkretser som kan brukes til impedansmatching, de vanligste er diskutert i denne artikkelen.
LC Filter Matching
Ulike LC-filtre kan brukes til å matche impedanser og gi filtrering. Filtrering er spesielt viktig på utgangen fra RF-forsterkere fordi de genererer mange uønskede overtoner som må filtreres før de overføres av antennen fordi de kan forårsake forstyrrelser og overføring på andre frekvenser enn de stasjonen er godkjent til å overføre på kan være ulovlig. Vi vil dekke LC-filtre med lav passeringfordi radioforsterkerne bare genererer harmoniske, og harmoniske signaler alltid er hele mangfoldet av basesignalene, slik at de alltid har høyere frekvenser enn basissignalet - det er derfor vi bruker lavpassfilter, de slipper ønsket signal gjennom mens vi får kvitt harmoniske. Når vi designer LC-filtre, vil vi snakke om kildemotstand og belastningsmotstand i stedet for impedans, for hvis belastningen eller kilden har noen serier eller parallell induktans eller kapasitans, og derfor ikke-resistiv impedans, blir beregningene mye mer komplekse. I dette tilfellet er det best å bruke et PI-filter eller L-filterkalkulator. I de fleste tilfeller, for eksempel integrerte kretser, riktig laget og innstilt antenner, TV- og radiomottakere, sendere, etc. utgang / inngangsimpedans = motstand.
“Q” -faktor
Hvert LC-filter har en parameter kjent som en Q (kvalitets) faktor, i lavpass- og høypassfiltrene bestemmer det brattheten til frekvensresponsen. Et lavt Q-filter vil være veldig bredbånd og vil ikke filtrere ut uønskede frekvenser så godt som et høyt Q-filter. Et filter med høyt Q vil filtrere ut uønskede frekvenser, men det vil ha en resonant topp, så det vil også fungere som et båndpassfilter. En høy Q-faktor reduserer noen ganger effektiviteten.
L-filtre
L-filtre er den enkleste formen for LC-filtre. De består av en kondensator og en induktor, koblet på en måte som den som finnes i RC-filtre, med induktoren som erstatter motstanden. De kan brukes til å matche impedans som er høyere eller lavere enn kildeimpedansen. I hvert L-filter er det bare en kombinasjon av L og C som kan matche en gitt inngangsimpedans til gitt utgangsimpedans.
For eksempel, for å matche en 50 Ω belastning til en 100 Ω belastning ved 14MHz, trenger vi en 560nH induktor med en 114pF kondensator - dette er den eneste kombinasjonen som kan gjøre matching på denne frekvensen med disse motstandene. Deres Q-faktor, og derfor hvor godt filteret er lik
√ ((R A / R B) -1) = Q
Hvor R A er den større impedans, er RL mindre impedans, og Q er Q-faktor med en passende last tilkoblet.
I vårt tilfelle vil den lastede Q være lik √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Hvis vi ønsket mer eller mindre filtrering (forskjellig Q), ville vi trengt PI-filter, der Q er fullt justerbar, og du kan ha forskjellige L- og C-kombinasjoner som kan gi deg den nødvendige matching med en gitt frekvens, hver med en annen Q.
For å beregne verdiene til L-filterkomponenter trenger vi tre ting: kildens utgangsmotstand, lastens motstand og driftsfrekvensen.
For eksempel vil utgangsmotstanden til kilden være 3000 Ω, lastmotstanden vil være 50 Ω, og frekvensen er 14 MHz. Siden kildemotstanden er større enn lastmotstanden, vil vi bruke “b” -filteret
Først må vi beregne reaktansen til de to komponentene i et L-filter, så kan vi beregne induktansen og kapasitansen basert på reaktans og bruksfrekvens:
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 bruker en reaktans kalkulator for å bestemme en induktans som 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 bruker en reaktans kalkulator for å bestemme en induktans som har en 390,6 Ω reaktans ved 14MHz
C = 29,1 pF
Som du kan se, er filterets frekvensrespons et lavt pass med en resonans-topp ved 14MHz, resonans-toppen er forårsaket av at filteret har en høy Q hvis Q var lavere, ville filteret være lavpass uten en topp. Hvis vi ønsket en annen Q, slik at filteret ville være mer bredbånd, ville vi trenge å bruke et PI-filter fordi L-filterets Q er avhengig av kildemotstand og belastningsmotstand. Hvis vi bruker denne kretsen for å matche utgangsimpedansen til et rør eller en transistor, må vi trekke utgangen til jordkapasitans fra filterets kondensator fordi de er parallelle. Hvis vi bruker en transistor med en kollektor-emitterkapasitans (aka utgangskapasitans) på 10pF, bør kapasitansen til C være 19,1 pF i stedet for 29,1 pF.
PI-filtre
PI-filteret er en veldig allsidig matchende krets, den består av 3 reaktive elementer, vanligvis to kondensatorer og en induktor. I motsetning til L-filteret, hvor bare en kombinasjon av L og C ga den nødvendige impedanstilpasningen ved en gitt frekvens, tillater PI-filteret flere kombinasjoner av C1, C2 og L for å oppnå ønsket impedanstilpasning, hver kombinasjon har en annen Q.
PI-filtre brukes oftere i applikasjoner, der det er behov for innstilling til forskjellige belastningsmotstander eller til og med komplekse impedanser, for eksempel RF-effektforsterkere fordi deres inngang til utgangsimpedansforhold (r i) bestemmes av forholdet mellom kondensatorene i kvadrat, så når du stiller inn på en annen impedans, kan spolen forbli den samme, mens bare kondensatorer er innstilt. C1 og C2 i RF-effektforsterkere er ofte variable.
(C1 / C2) ² = r i
Når vi ønsker et mer bredbåndsfilter, bruker vi Q litt over Q krit når vi ønsker et skarpere filter, for eksempel ved utgangen til en RF-forsterker bruker vi Q som er mye større enn Q krit, men under 10, som høyere filterets Q jo lavere effektivitet. Typisk Q for PI-filtre i RF-utgangstrinn er 7, men denne verdien kan variere.
Q krit = √ (R A / R B -1)
Hvor: R A er den høyeste av de to (kilde- eller belastnings-) motstandene, og R B er den mindre motstanden. Generelt kan PI-filteret ved høyere Q betraktes, og ignorerer impedanstilpasning som en parallell resonanskrets laget av en spole L og en kondensator C med en kapasitans lik:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Denne resonanskretsen skal resonere med frekvensen filteret skal brukes.
For å beregne verdiene til et PI-filterkomponent trenger vi fire ting: kildens utgangsmotstand, lastens motstand, driftsfrekvensen og Q.
For eksempel må vi matche en 8Ω kilde til en 75Ω belastning med en Q på 7.
R A er den høyeste av de to (kilde- eller belastnings-) motstandene, og R B er den mindre motstanden.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Vi bruker en reaktans kalkulator for å bestemme en kapasitans som 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 bruker en reaktans kalkulator for å bestemme en induktans som 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 bruker en reaktanskalkulator for å bestemme en kapasitans som har en 3,59 Ω reaktans ved 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Som med L-filteret, hvis vår utgangsenhet har noen utgangskapasitans (plate-katode for rør, kollektor til emitter for BJT, ofte bare utgangskapasitans for MOSFET, rør og BJT), må vi trekke den fra C1 fordi den kapasitansen er koblet parallelt med den. Hvis vi brukte en IRF510-transistor, med en 180 pF utgangskapasitans, som en effektutgangsenhet C1 måtte være 6,3 nF-0,18 nF, så 6,17 nF. Hvis vi brukte flere transistorer parallelt for å få en høyere utgangseffekt, ville kapasitansene summe.
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-kretser som brukes til impedansmatching
Det er mange forskjellige LC-kretser som brukes til å matche impedanser, for eksempel T-filtre, spesielle matchende kretser for transistoreffektforsterkere eller PI-L-filtre (PI-filter med en ekstra induktor).
