- Відповідність фільтру LC
- L фільтри
- PI-фільтри
- Інші ланцюги LC, що використовуються для узгодження імпедансу
У попередній статті ми обговорили основи відповідності імпедансу та способи використання трансформатора, що відповідає імпедансу. Окрім використання трансформатора з узгодженням імпедансу, конструктори можуть також використовувати схеми імпедансного фільтра на виході ВЧ-підсилювача, які можуть подвоїтися як схема фільтрації, а також як схема узгодження імпедансу. Існує багато типів фільтрувальних ланцюгів, які можна використовувати для узгодження імпедансу, найпоширеніші з них обговорюються в цій статті.
Відповідність фільтру LC
Різні LC-фільтри можуть бути використані для узгодження імпедансів та забезпечення фільтрації. Фільтрування особливо важливо на виході підсилювачів РЧ потужності, оскільки вони генерують багато небажаних гармонік, які повинні бути відфільтровані, перш ніж вони передаються антеною, оскільки вони можуть спричинити перешкоди та передачу на частотах, відмінних від частот, дозволених передавати станції. на може бути незаконним. Ми розглянемо низькочастотні фільтри LCоскільки радіопідсилювачі потужності генерують лише гармоніки, а гармонічні сигнали - це завжди множина базових сигналів, тому вони завжди мають більш високі частоти, ніж базовий сигнал - ось чому ми використовуємо фільтри низьких частот, вони пропускають потрібний сигнал при отриманні позбутися гармонік. При розробці LC-фільтрів ми говоритимемо про опір джерела та опір навантаженні замість імпедансу, тому що якщо навантаження або джерело має деяку послідовну або паралельну індуктивність або ємність, а отже нерезистивний імпеданс, обчислення набагато складніші. У цьому випадку найкраще використовувати PI-фільтр або калькулятор L-фільтрів. У більшості випадків, таких як інтегральні схеми, правильно зроблені та налаштовані антени, телевізійні та радіоприймачі, передавачі тощо, вихідний / вхідний опір = опір.
Коефіцієнт “Q”
Кожен LC-фільтр має параметр, відомий як коефіцієнт Q (якості), у фільтрах низьких і високих частот він визначає крутизну частотної характеристики. Фільтр низького Q буде дуже широкосмуговим і не буде фільтрувати небажані частоти настільки добре, як фільтр високого Q. Високоякісний фільтр фільтрує небажані частоти, але він матиме резонансний пік, тому він також буде діяти як смуговий фільтр. Високий коефіцієнт Q іноді знижує ефективність.
L фільтри
L-фільтри - найпростіша форма LC-фільтрів. Вони складаються з конденсатора та індуктивності, з'єднаних таким чином, як у RC-фільтрах, індуктор замінює резистор. Вони можуть бути використані для узгодження імпедансу, який є вищим або меншим, ніж імпеданс джерела. У кожному L-фільтрі є лише одна комбінація L і C, яка може відповідати заданому вхідному імпедансу даному вихідному імпедансу.
Наприклад, щоб зіставити навантаження 50 Ом із навантаженням 100 Ом на 14 МГц, нам потрібен індуктор 560 нГн з конденсатором 114 пФ - це єдина комбінація, яка може виконати збіг на цій частоті з цими опорами. Їх коефіцієнт Q, а отже, наскільки хороший фільтр
√ ((R A / R B) -1) = Q
Де R A - більший імпеданс, RL - менший імпеданс, а Q - коефіцієнт Q з відповідним навантаженням.
У нашому випадку завантажений Q буде дорівнює √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Якби ми хотіли більш-менш фільтрувати (різне Q), нам знадобився б PI-фільтр, де Q повністю регулюється, і ви можете мати різні комбінації L і C, які можуть дати вам необхідну відповідність на певній частоті, кожна з різними Q.
Для розрахунку значень компонентів фільтра L нам потрібні три речі: вихідний опір джерела, опір навантаження та частота спрацьовування.
Наприклад, вихідний опір джерела буде 3000 Ом, опір навантаженню 50 Ом, а частота 14 МГц. Оскільки наш опір джерела більший за опір навантаженню, ми будемо використовувати фільтр “b”
Спочатку нам потрібно розрахувати опір двох компонентів L-фільтра, потім ми можемо розрахувати індуктивність та ємність на основі реактивного опору та частоти використання:
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
Ми використовуємо калькулятор реактивного опору для визначення індуктивності, яка має опір 384,1 Ом на частоті 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
Ми використовуємо калькулятор реактивного опору для визначення індуктивності, яка має реактивний опір 390,6 Ом на частоті 14 МГц
С = 29,1 пФ
Як бачите, частотна характеристика фільтра - це низький прохід з резонансним піком на 14 МГц, резонансний пік обумовлений тим, що фільтр має високий Q, якщо Q був нижчим, фільтр був би низькочастотним без піку. Якби ми хотіли інший Q, тому фільтр був би більш широкосмуговим, нам потрібно було б використовувати PI-фільтр, оскільки Q-фільтр Q залежить від опору джерела та опору навантаження. Якщо ми використовуємо цю схему для узгодження вихідного імпедансу трубки або транзистора, нам потрібно буде відняти вихід з ємності на землю з конденсатора фільтра, оскільки вони паралельні. Якщо ми використовуємо транзистор з ємністю колектор-випромінювач (він же вихідна ємність) 10pF, ємність C повинна становити 19,1 pF замість 29,1 pF.
PI-фільтри
PI-фільтр - це дуже універсальна схема узгодження, він складається з 3 реактивних елементів, як правило, двох конденсаторів та одного індуктора. На відміну від L-фільтра, де лише одна комбінація L і C давала необхідне узгодження імпедансу на даній частоті, PI-фільтр дозволяє декілька комбінацій C1, C2 та L для досягнення бажаного збігу імпедансу, кожна комбінація має різне Q.
PI-фільтри частіше використовуються в додатках, де існує потреба в налаштуванні на різні опори навантаження або навіть складні імпеданси, такі як підсилювачі потужності, оскільки їх коефіцієнт вхідного / вихідного імпедансу (r i) визначається відношенням конденсаторів до квадрата при налаштуванні на інший імпеданс котушка може залишатися незмінною, тоді як налаштовуються лише конденсатори. C1 і C2 у підсилювачах потужності частоти часто змінюються.
(C1 / C2) ² = r i
Коли ми хочемо отримати більш широкосмуговий фільтр, ми використовуємо Q трохи вище Q- критерію, коли хочемо більш чіткий фільтр, наприклад, на виході підсилювача ВЧ-потужності, ми використовуємо Q, який набагато більший за Q- крит, але нижче 10, чим вище Q фільтра, тим менша ефективність. Типовий Q PI-фільтрів на вихідних каскадах РЧ становить 7, але це значення може змінюватися.
Критерій Q = √ (R A / R B -1)
Де: R A - вищий з двох опорів (джерела чи навантаження), а R B - менший опір. Загалом, PI-фільтр при вищому Q можна розглядати, ігноруючи збіг імпедансу як паралельний резонансний контур, виконаний із котушки L та конденсатора C з ємністю, рівною:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Цей резонансний контур повинен резонувати на частоті, яку буде використовувати фільтр.
Для розрахунку значень компонентів фільтра PI нам потрібні чотири речі: вихідний опір джерела, опір навантаження, частота спрацьовування та Q.
Наприклад, нам потрібно зіставити джерело 8 Ом із навантаженням 75 Ом з Q 7.
R A - вищий з двох опорів (джерела чи навантаження), а R B - менший опір.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ом / 7 X C1 = 10,7 Ом
Ми використовуємо калькулятор реактивного опору для визначення ємності, яка має опір 10,7 Ом на 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
Ми використовуємо калькулятор реактивного опору для визначення індуктивності, яка має опір 14,84 Ом при 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 Ω * √0,2 X C2 = 8 Ω * 0,45 X C2 = 3,59 Ω
Ми використовуємо калькулятор реактивного опору, щоб визначити ємність, яка має опір 3,59 Ом при 7 МГц
C2 = 6,3 нФ
Як і у випадку з L-фільтром, якщо наш вихідний пристрій має будь-яку вихідну ємність (пластинчастий катод для ламп, колектор до випромінювача для BJT, часто просто вихідну ємність для MOSFET, ламп і BJT), нам потрібно відняти її від C1, оскільки ця ємність підключений паралельно до нього. Якби ми використовували транзистор IRF510 із вихідною ємністю 180 пФ, як пристрій виведення потужності C1 повинен бути 6,3 нФ-0,18 нФ, тобто 6,17 нФ. Якби ми використовували кілька транзисторів паралельно, щоб отримати більшу вихідну потужність, ємності склали б.
Для 3 IRF510 це буде 6,3 нФ-0,18 нФ * 3 = 6,3 нФ-0,54 нФ, тобто 5,76 нФ замість 6,3 нФ.
Інші ланцюги LC, що використовуються для узгодження імпедансу
Існує безліч різних LC-схем, що використовуються для узгодження імпедансів, таких як Т-фільтри, спеціальні схемотехнічні схеми для транзисторних підсилювачів потужності або PI-L-фільтри (PI-фільтр з додатковою індуктивністю).
