W poprzednim artykule omówiliśmy podstawy dopasowania impedancji i sposób korzystania z transformatora dopasowującego impedancję. Oprócz zastosowania transformatora dopasowującego impedancję, projektanci mogą również zastosować obwody filtru impedancyjnego na wyjściu wzmacniacza RF, który może pełnić funkcję obwodu filtrującego, a także obwodu dopasowującego impedancję. Istnieje wiele typów obwodów filtrów, których można użyć do dopasowania impedancji. Najpopularniejsze z nich omówiono w tym artykule.
Dopasowywanie filtrów LC
W celu dopasowania impedancji i zapewnienia filtracji można zastosować różne filtry LC. Filtrowanie jest szczególnie ważne na wyjściu wzmacniaczy mocy RF, ponieważ generują one wiele niepożądanych harmonicznych, które muszą zostać odfiltrowane, zanim zostaną przesłane przez antenę, ponieważ mogą powodować zakłócenia i transmitować na częstotliwościach innych niż te, do których stacja jest dopuszczona. może być nielegalne. Omówimy dolnoprzepustowe filtry LCponieważ wzmacniacze mocy radiowej generują tylko harmoniczne, a sygnały harmoniczne są zawsze całą wielokrotnością sygnałów bazowych, więc zawsze mają wyższe częstotliwości niż sygnał podstawowy - dlatego używamy filtrów dolnoprzepustowych, przepuszczają pożądany sygnał podczas pobierania pozbyć się harmonicznych. Projektując filtry LC, będziemy mówić o rezystancji źródła i rezystancji obciążenia zamiast impedancji, ponieważ jeśli obciążenie lub źródło ma pewną szeregową lub równoległą indukcyjność lub pojemność, a zatem impedancję nierezystancyjną, obliczenia stają się znacznie bardziej złożone. W takim przypadku najlepiej jest użyć filtra PI lub kalkulatora filtra L. W większości przypadków, takich jak układy scalone, odpowiednio wykonane i dostrojone anteny, odbiorniki telewizyjne i radiowe, nadajniki itp. Impedancja wyjściowa / wejściowa = rezystancja.
Współczynnik „Q”
Każdy filtr LC ma parametr znany jako współczynnik Q (jakość), w dolnoprzepustowych i górnoprzepustowych filtrach określa stromość odpowiedzi częstotliwościowej. Filtr o niskim Q będzie bardzo szerokopasmowy i nie będzie odfiltrowywać niepożądanych częstotliwości tak dobrze, jak filtr o wysokiej wartości Q. Filtr o wysokim Q odfiltruje niepożądane częstotliwości, ale będzie miał szczyt rezonansowy, więc będzie również działał jako filtr pasmowy. Wysoki współczynnik Q czasami zmniejsza wydajność.
Filtry L.
Filtry typu L to najprostsza forma filtrów LC. Składają się z kondensatora i cewki indukcyjnej, połączonych w podobny sposób jak w filtrach RC, z cewką zastępującą rezystor. Mogą być używane do dopasowania impedancji, która jest wyższa lub niższa niż impedancja źródła. W każdym filtrze L jest tylko jedna kombinacja L i C, która może dopasować daną impedancję wejściową do danej impedancji wyjściowej.
Na przykład, aby dopasować obciążenie 50 Ω do obciążenia 100 Ω przy 14 MHz, potrzebujemy cewki indukcyjnej 560nH z kondensatorem 114pF - jest to jedyna kombinacja, która może wykonać dopasowanie przy tej częstotliwości z tymi rezystancjami. Ich współczynnik Q, a zatem jak dobry jest filtr
√ ((R A / R B) -1) = Q
Gdzie R A jest większą impedancją, RL jest mniejszą impedancją, a Q jest współczynnikiem Q przy odpowiednim podłączonym obciążeniu.
W naszym przypadku załadowane Q będzie równe √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Gdybyśmy chcieli więcej lub mniej filtrowania (różne Q), potrzebowalibyśmy Filtr PI, gdzie Q jest w pełni regulowany i możesz mieć różne kombinacje L i C, które mogą zapewnić wymagane dopasowanie przy danej częstotliwości, każda z innym Q.
Aby obliczyć wartości składowych filtra L, potrzebujemy trzech rzeczy: rezystancji wyjściowej źródła, rezystancji obciążenia i częstotliwości pracy.
Na przykład rezystancja wyjściowa źródła będzie wynosić 3000 Ω, rezystancja obciążenia 50 Ω, a częstotliwość 14 MHz. Ponieważ rezystancja naszego źródła jest większa niż rezystancja obciążenia, użyjemy filtra „b”
Najpierw musimy obliczyć reaktancję dwóch składników filtra L, a następnie możemy obliczyć indukcyjność i pojemność na podstawie reaktancji i częstotliwości użycia:
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
Używamy kalkulatora reaktancji do określenia indukcyjności, która ma reaktancję 384,1 Ω przy 14 MHz
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
Używamy kalkulatora reaktancji, aby określić indukcyjność, która ma reaktancję 390,6 Ω przy 14 MHz
C = 29,1 pF
Jak widać, pasmo przenoszenia filtra jest dolnoprzepustowe ze szczytem rezonansowym przy 14 MHz, szczyt rezonansowy jest spowodowany przez filtr mający wysokie Q, jeśli Q było niższe, filtr byłby dolnoprzepustowy bez piku. Gdybyśmy chcieli innego Q, więc filtr byłby bardziej szerokopasmowy, musielibyśmy użyć filtra PI, ponieważ Q filtra L zależy od rezystancji źródła i rezystancji obciążenia. Jeśli użyjemy tego obwodu do dopasowania impedancji wyjściowej lampy lub tranzystora, musielibyśmy odjąć pojemność wyjściową do masy z kondensatora filtra, ponieważ są one równoległe. Jeśli użyjemy tranzystora o pojemności kolektor-emiter (inaczej pojemności wyjściowej) 10 pF, pojemność C powinna wynosić 19,1 pF zamiast 29,1 pF.
Filtry PI
Filtr PI jest bardzo wszechstronnym układem dopasowującym, składa się z 3 elementów reaktywnych, zwykle dwóch kondensatorów i jednej cewki indukcyjnej. W przeciwieństwie do filtra L, w którym tylko jedna kombinacja L i C dała wymagane dopasowanie impedancji przy danej częstotliwości, filtr PI pozwala na wiele kombinacji C1, C2 i L w celu uzyskania pożądanego dopasowania impedancji, przy czym każda kombinacja ma inne Q.
Filtry PI są częściej używane w aplikacjach, w których istnieje potrzeba dostrojenia do różnych rezystancji obciążenia lub nawet złożonych impedancji, takich jak wzmacniacze mocy RF, ponieważ ich stosunek impedancji wejściowej do wyjściowej (r i) jest określony przez stosunek kondensatorów do kwadratu, więc podczas dostrajania do innej impedancji cewka może pozostać taka sama, podczas gdy strojone są tylko kondensatory. C1 i C2 we wzmacniaczach mocy RF są często zmienne.
(C1 / C2) ² = r i
Kiedy chcemy mieć większy filtr szerokopasmowy, używamy Q nieco powyżej Qcritta, gdy chcemy ostrzejszego filtra, na przykład na wyjściu wzmacniacza mocy RF używamy Q, które jest znacznie większe niż Qcrit, ale poniżej 10, jako wyższa Q filtra, tym niższa wydajność. Typowa wartość Q filtrów PI w stopniach wyjściowych RF wynosi 7, ale ta wartość może się zmieniać.
Q Crit = √ (R A / R B -1)
Gdzie: R A jest wyższą z dwóch rezystancji (źródła lub obciążenia), a R B jest mniejszą rezystancją. Ogólnie rzecz biorąc, filtr PI przy wyższym Q można uznać, ignorując dopasowanie impedancji jako równoległy obwód rezonansowy wykonany z cewki L i kondensatora C o pojemności równej:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Ten obwód rezonansowy powinien rezonować z częstotliwością, na której filtr będzie używany.
Aby obliczyć wartości składowych filtra PI, potrzebujemy czterech rzeczy: rezystancji wyjściowej źródła, rezystancji obciążenia, częstotliwości pracy i Q.
Na przykład, musimy dopasować źródło 8 Ω do obciążenia 75 Ω z Q równym 7.
R A jest wyższą z dwóch rezystancji (źródła lub obciążenia), a R B jest mniejszą rezystancją.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Używamy kalkulatora reaktancji, aby określić pojemność, która ma reaktancję 10,7 Ω przy 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
Używamy kalkulatora reaktancji do określenia indukcyjności, która ma reaktancję 14,84 Ω przy 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
Używamy kalkulatora reaktancji, aby określić pojemność, która ma reaktancję 3,59 Ω przy 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Podobnie jak w przypadku filtra L, jeśli nasze urządzenie wyjściowe ma jakąkolwiek pojemność wyjściową (płytka katoda dla lamp, kolektor do emitera dla BJT, często tylko pojemność wyjściowa dla tranzystorów MOSFET, lamp i BJT), musimy odjąć ją od C1, ponieważ ta pojemność jest połączone równolegle do niego. Gdybyśmy użyli tranzystora IRF510 o pojemności wyjściowej 180 pF, jako urządzenie wyjściowe mocy C1 musiałby mieć 6,3 nF-0,18 nF, a więc 6,17 nF. Gdybyśmy użyli wielu tranzystorów równolegle, aby uzyskać wyższą moc wyjściową, pojemności sumowałyby się.
Dla 3 IRF510 byłoby to 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, czyli 5,76 nF zamiast 6,3 nF.
Inne obwody LC używane do dopasowania impedancji
Istnieje wiele różnych obwodów LC używanych do dopasowania impedancji, takich jak filtry T, specjalne obwody dopasowujące dla tranzystorowych wzmacniaczy mocy lub filtry PI-L (filtr PI z dodatkową cewką).
