În articolul precedent, am discutat elementele de bază ale potrivirii impedanței și modul de utilizare a unui transformator de potrivire a impedanței. În afară de utilizarea unui transformator de potrivire a impedanței, proiectanții pot utiliza circuite de filtrare a impedanței la ieșirea unui amplificator RF care se poate dubla ca circuit de filtrare și, de asemenea, ca circuit de potrivire a impedanței. Există multe tipuri de circuite de filtrare care pot fi utilizate pentru potrivirea impedanței, cele mai frecvente fiind discutate în acest articol.
Potrivirea filtrelor LC
Diferite filtre LC pot fi utilizate pentru a se potrivi impedanțelor și pentru a asigura filtrarea. Filtrarea este deosebit de importantă la ieșirea amplificatoarelor RF de putere, deoarece acestea generează o mulțime de armonici nedorite care trebuie filtrate înainte de a fi transmise de antenă, deoarece pot provoca interferențe și transmiterea pe alte frecvențe decât cele pe care stația este aprobată să le transmită. pe poate fi ilegal. Vom acoperi filtrele LC low-passdeoarece amplificatoarele de putere radio generează doar armonici, iar semnalele armonice sunt întotdeauna multiplele semnalelor de bază, deci au întotdeauna frecvențe mai mari decât semnalul de bază - de aceea folosim filtre de trecere joasă, lasă semnalul dorit să treacă în timp ce primesc scapă de armonici. La proiectarea filtrelor LC, vom vorbi despre rezistența sursei și rezistența la sarcină în loc de impedanță, deoarece dacă sarcina sau sursa are o serie de inductanță sau capacitate paralelă și, prin urmare, impedanța non-rezistivă, calculele devin mult mai complexe. În acest caz, cel mai bine este să utilizați un filtru PI sau un calculator de filtru L. În majoritatea cazurilor, cum ar fi circuite integrate, antene realizate și reglate corespunzător, receptoare TV și radio, emițătoare, etc. Impedanță de ieșire / intrare = rezistență.
Factorul „Q”
Fiecare filtru LC are un parametru cunoscut sub numele de factor Q (calitate), în filtrele trece jos și trece înalt determină abruptitatea răspunsului în frecvență. Un filtru Q scăzut va fi foarte larg și nu va filtra frecvențele nedorite la fel de bune ca un filtru Q ridicat. Un filtru Q ridicat va filtra frecvențele nedorite, dar va avea un vârf rezonant, deci va acționa și ca un filtru bandpass. Un factor Q ridicat reduce uneori eficiența.
L filtre
Filtrele L sunt cea mai simplă formă de filtre LC. Acestea constau dintr-un condensator și un inductor, conectate într-un mod similar cu cel găsit în filtrele RC, cu inductor care înlocuiește rezistorul. Acestea pot fi utilizate pentru a se potrivi impedanței care este mai mare sau mai mică decât impedanța sursei. În fiecare filtru L, există o singură combinație de L și C care pot potrivi o impedanță de intrare dată cu o impedanță de ieșire dată.
De exemplu, pentru a potrivi o sarcină de 50 Ω la o sarcină de 100 Ω la 14 MHz, avem nevoie de un inductor de 560 nH cu un condensator de 114 pF - aceasta este singura combinație care poate face potrivirea la această frecvență cu aceste rezistențe. Factorul lor Q și, prin urmare, cât de bun este filtrul
√ ((R A / R B) -1) = Q
În cazul în care R A este impedanța mai mare, RL este impedanța mai mică și Q este factorul Q cu sarcina corespunzătoare conectată.
În cazul nostru, Q-ul încărcat va fi egal cu √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Dacă am dori mai mult sau mai puțin filtrare (Q diferită), am avea nevoie de Filtru PI, unde Q este complet reglabil și puteți avea diferite combinații L și C care vă pot oferi potrivirea necesară la o frecvență dată, fiecare cu un Q diferit.
Pentru a calcula valorile componentelor filtrului L, avem nevoie de trei lucruri: rezistența de ieșire a sursei, rezistența sarcinii și frecvența de funcționare.
De exemplu, rezistența de ieșire a sursei va fi de 3000 Ω, rezistența la sarcină va fi de 50 Ω, iar frecvența este de 14 MHz. Deoarece rezistența sursă este mai mare decât rezistența la încărcare, vom folosi filtrul „b”
În primul rând, trebuie să calculăm reactanța celor două componente ale unui filtru L, apoi putem calcula inductanța și capacitatea pe baza reactanței și a frecvenței de utilizare:
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
Folosim un calculator de reactanță pentru a determina o inductanță care are o reactanță de 384,1 Ω la 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
Folosim un calculator de reactanță pentru a determina o inductanță care are o reactanță de 390,6 Ω la 14 MHz
C = 29,1 pF
După cum puteți vedea, răspunsul de frecvență al filtrului este o trecere joasă cu un vârf rezonant la 14MHz, vârful rezonant este cauzat de filtrul având un Q mare dacă Q ar fi mai mic, filtrul ar fi lowpass fără un vârf. Dacă am dori un Q diferit, deci filtrul ar fi mai larg în bandă largă, ar trebui să folosim un filtru PI deoarece Q al filtrului L depinde de rezistența sursei și rezistența la sarcină. Dacă folosim acest circuit pentru a se potrivi cu impedanța de ieșire a unui tub sau a unui tranzistor, ar trebui să scădem ieșirea la capacitatea de masă din condensatorul filtrului, deoarece acestea sunt în paralel. Dacă folosim un tranzistor cu o capacitate colector-emițător (aka capacitate de ieșire) de 10pF, capacitatea C ar trebui să fie de 19,1 pF în loc de 29,1 pF.
Filtre PI
Filtrul PI este un circuit de potrivire foarte versatil, este format din 3 elemente reactive, de obicei doi condensatori și un inductor. Spre deosebire de filtrul L, unde o singură combinație de L și C a dat potrivirea de impedanță necesară la o frecvență dată, filtrul PI permite combinații multiple de C1, C2 și L pentru a obține potrivirea de impedanță dorită, fiecare combinație având un Q diferit.
Filtrele PI sunt mai des utilizate în aplicații, în care este nevoie de reglarea diferitelor rezistențe de sarcină sau chiar impedanțe complexe, cum ar fi amplificatoarele de putere RF, deoarece raportul lor de intrare la impedanță de ieșire (r i) este determinat de raportul condensatorilor la pătrat, deci atunci când acordați o impedanță diferită, bobina poate rămâne la fel, în timp ce numai condensatorii sunt reglați. C1 și C2 în amplificatoarele de putere RF sunt adesea variabile.
(C1 / C2) ² = r i
Când vrem un filtru mai larg, folosim Q puțin peste Q crit atunci când dorim un filtru mai ascuțit, cum ar fi la ieșirea unui amplificator de putere RF folosim Q care este mult mai mare decât Q crit, dar sub 10, ca cu cât filtrul Q este mai mare, cu atât eficiența este mai mică. Q tipic al filtrelor PI în etapele de ieșire RF este de 7, dar această valoare poate varia.
Q crit = √ (R A / R B -1)
Unde: R A este cea mai mare dintre cele două rezistențe (sursă sau sarcină) și R B este rezistența mai mică. În general, filtrul PI la Q mai mare poate fi privit, ignorând potrivirea impedanței ca un circuit rezonant paralel realizat dintr-o bobină L și un condensator C cu o capacitate egală cu:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Acest circuit rezonant ar trebui să rezoneze la frecvența în care va fi utilizat filtrul.
Pentru a calcula valorile componentelor unui filtru PI avem nevoie de patru lucruri: rezistența de ieșire a sursei, rezistența sarcinii, frecvența de funcționare și Q.
De exemplu, trebuie să potrivim o sursă de 8Ω la o sarcină de 75Ω cu un Q de 7.
R A este cea mai mare dintre cele două rezistențe (sursă sau sarcină) și R B este rezistența mai mică.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Folosim un calculator de reactanță pentru a determina o capacitate care are o reactanță de 10,7 Ω la 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
Folosim un calculator de reactanță pentru a determina o inductanță care are o reactanță de 14,84 Ω la 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
Folosim un calculator de reactanță pentru a determina o capacitate care are o reactanță de 3,59 Ω la 7 MHz
C2 = 6,3nF
Ca și în cazul filtrului L, dacă dispozitivul nostru de ieșire are capacitate de ieșire (placă-catod pentru tuburi, colector la emițător pentru BJT, adesea doar capacitate de ieșire pentru MOSFET-uri, tuburi și BJT-uri) trebuie să o scădem din C1 deoarece capacitatea este conectat în paralel cu acesta. Dacă am folosi un tranzistor IRF510, cu o capacitate de ieșire de 180 pF, ca dispozitiv de ieșire a puterii C1 ar trebui să fie 6,3 nF-0,18 nF, deci 6,17 nF. Dacă am folosi mai mulți tranzistori în paralel pentru a obține o putere de ieșire mai mare, capacitățile ar însuma.
Pentru 3 IRF510 ar fi 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, deci 5,76 nF în loc de 6,3 nF.
Alte circuite LC utilizate pentru potrivirea impedanței
Există numeroase circuite LC diferite utilizate pentru a se potrivi impedanțelor, cum ar fi filtrele T, circuitele speciale de potrivire pentru amplificatoarele de putere ale tranzistorului sau filtrele PI-L (filtru PI cu un inductor suplimentar).
