V predchádzajúcom článku sme sa zaoberali základmi impedančného prispôsobenia a tým, ako používať transformátor prispôsobenia impedancie. Okrem použitia transformátora na prispôsobenie impedancie môžu dizajnéri tiež použiť obvody impedančného filtra na výstupe RF zosilňovača, ktorý sa môže zdvojnásobiť ako filtračný obvod a tiež ako obvod na prispôsobenie impedancie. Existuje mnoho typov filtračných obvodov, ktoré možno použiť na prispôsobenie impedancie, najbežnejším z nich sa venujeme v tomto článku.
Zhoda LC filtra
Na zosúladenie impedancií a zabezpečenie filtrovania možno použiť rôzne LC filtre. Filtrovanie je obzvlášť dôležité na výstupe výkonových vysokofrekvenčných zosilňovačov, pretože generujú veľa nežiaducich harmonických, ktoré sa musia filtrovať pred ich prenosom anténou, pretože môžu spôsobiť rušenie a vysielanie na iných frekvenciách, než na ktorých je stanica schválená na vysielanie. dňa môže byť nezákonné. Pokryjeme low-pass LC filtrepretože rádiové výkonové zosilňovače generujú iba harmonické a harmonické signály sú vždy celým násobkom základných signálov, takže majú vždy vyššie frekvencie ako základný signál - preto používame dolnopriepustné filtre, ktoré prepúšťajú požadovaný signál, zatiaľ čo získavajú zbaviť sa harmonických. Pri navrhovaní LC filtrov si namiesto impedancie povieme niečo o odpore zdroja a odpore záťaže, pretože ak má záťaž alebo zdroj nejakú sériovú alebo paralelnú indukčnosť alebo kapacitu, a teda neodporovú impedanciu, sú výpočty oveľa zložitejšie. V takom prípade je najlepšie použiť PI filter alebo L filter kalkulačku. Vo väčšine prípadov, ako sú integrované obvody, správne vyrobené a vyladené antény, televízne a rozhlasové prijímače, vysielače atď., Výstupná / vstupná impedancia = odpor.
Faktor „Q“
Každý LC filter má parameter známy ako faktor Q (kvality), vo filtroch dolnej a vysokej priepuste určuje strmosť frekvenčnej odozvy. Filter s nízkym Q bude veľmi širokopásmový a nebude odfiltrovať nežiaduce frekvencie také dobré ako filter s vysokým Q. Vysoký Q filter odfiltruje nežiaduce frekvencie, ale bude mať rezonančný vrchol, takže bude fungovať aj ako pásmový filter. Vysoký faktor Q niekedy znižuje účinnosť.
L filtre
L filtre sú najjednoduchšou formou LC filtrov. Skladajú sa z kondenzátora a tlmivky, spojené podobným spôsobom, aký sa nachádza v RC filtroch, pričom induktor nahradzuje odpor. Môžu byť použité na prispôsobenie impedancie, ktorá je vyššia alebo nižšia ako impedancia zdroja. V každom L filtri existuje iba jedna kombinácia L a C, ktorá dokáže priradiť danú vstupnú impedanciu k danej výstupnej impedancii.
Napríklad, aby sme zodpovedali zaťaženie 50 Ω a zaťaženie 100 Ω pri 14 MHz, potrebujeme induktor 560nH s kondenzátorom 114pF - to je jediná kombinácia, ktorá dokáže na tejto frekvencii dosiahnuť zhodu s týmito odpormi. Ich Q faktor, a teda aj to, ako dobrý je filter
√ ((R A / R B) -1) = Q
Kde R A je väčšia impedancia, RL je menšia impedancia a Q je faktor Q s pripojenou príslušnou záťažou.
V našom prípade sa načítané Q bude rovnať √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Ak by sme chceli viac alebo menej filtrovanie (rôzne Q), potrebovali by sme PI filter, kde Q je plne nastaviteľný a môžete mať rôzne kombinácie L a C, ktoré vám poskytnú požadované zhody pri danej frekvencii, každá s iným Q.
Na výpočet hodnôt komponentov filtra L potrebujeme tri veci: výstupný odpor zdroja, odpor záťaže a pracovnú frekvenciu.
Napríklad výstupný odpor zdroja bude 3 000 Ω, odpor záťaže bude 50 Ω a frekvencia bude 14 MHz. Pretože odpor nášho zdroja je väčší ako odpor záťaže, použijeme filter „b“
Najskôr musíme vypočítať reaktanciu dvoch zložiek filtra L, potom môžeme vypočítať indukčnosť a kapacitu na základe reaktancie a frekvencie použitia:
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
Pomocou kalkulačky reaktancie určujeme indukčnosť, ktorá má reaktanciu 384,1 Ω pri 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 = 1 50000 Ω 2 / 384,1 Ω X C = 390,6 Ω
Pomocou kalkulačky reaktancie určujeme indukčnosť, ktorá má reaktanciu 390,6 Ω pri 14 MHz
C = 29,1 pF
Ako vidíte, frekvenčná odozva filtra je dolná priepusť s rezonančným vrcholom pri 14 MHz, rezonančný vrchol je spôsobený tým, že filter má vysoké Q, ak je Q nižšie, filter by bol dolnopriepustný bez píku. Ak by sme chceli iné Q, takže filter by bol širokopásmový, museli by sme použiť PI filter, pretože Q filtra L závisí od odporu zdroja a odporu záťaže. Ak použijeme tento obvod na zosúladenie výstupnej impedancie elektrónky alebo tranzistora, budeme musieť odčítať výstupnú a zemnú kapacitu od kondenzátora filtra, pretože sú paralelné. Ak použijeme tranzistor s kapacitou kolektora a vysielača (aka výstupná kapacita) 10pF, kapacita C by mala byť 19,1 pF namiesto 29,1 pF.
PI filtre
PI filter je veľmi univerzálny prispôsobovací obvod, skladá sa z 3 reaktívnych prvkov, zvyčajne dvoch kondenzátorov a jedného induktora. Na rozdiel od L filtra, kde iba jedna kombinácia L a C poskytla požadované impedančné prispôsobenie na danej frekvencii, PI filter umožňuje viac kombinácií C1, C2 a L na dosiahnutie požadovaného impedančného prispôsobenia, pričom každá kombinácia mala odlišné Q.
PI filtre sa častejšie používajú v aplikáciách, kde je potrebné vyladiť rôzne zaťažovacie odpory alebo dokonca zložité impedancie, napríklad vysokofrekvenčné výkonové zosilňovače, pretože ich pomer vstupnej a výstupnej impedancie (r i) je určený pomerom štvorcových kondenzátorov, takže pri ladení na inú impedanciu môže cievka zostať rovnaká, zatiaľ čo sú vyladené iba kondenzátory. C1 a C2 v RF výkonových zosilňovačoch sú často variabilné.
(C1 / C2) ² = r i
Keď chceme širší pásmový filter, použijeme Q trochu nad Qkrit, keď chceme ostrejší filter, napríklad na výstupe výkonového zosilňovača RF použijeme Q, ktoré je oveľa väčšie ako Qkrit, ale pod 10, ako čím vyššie je Q filtra, tým nižšia je účinnosť. Typické Q PI filtrov vo výstupných stupňoch RF je 7, ale táto hodnota sa môže meniť.
Q crit = √ (R / R B -1)
Kde: R A je vyšší z dvoch (zdrojových alebo záťažových) odporov a R B je menší odpor. Všeobecne možno považovať PI filter pri vyššom Q, ignorujúc impedančné prispôsobenie ako paralelný rezonančný obvod vyrobený z cievky L a kondenzátora C s kapacitou rovnajúcou sa:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Tento rezonančný obvod by mal rezonovať pri frekvencii, ktorú bude filter používať.
Na výpočet hodnôt komponentov PI filtra potrebujeme štyri veci: výstupný odpor zdroja, odpor záťaže, pracovnú frekvenciu a Q.
Napríklad musíme priradiť zdroj 8Ω k zaťaženiu 75Ω s Q 7.
R A je vyšší z dvoch (zdrojových alebo záťažových) odporov a R B je menší odpor.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Pomocou kalkulačky reaktancie určujeme kapacitu, ktorá má reaktanciu 10,7 Ω pri 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
Pomocou kalkulačky reaktancie určujeme indukčnosť, ktorá má reaktanciu 14,84 Ω pri 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
Pomocou kalkulačky reaktancie určujeme kapacitu, ktorá má reaktanciu 3,59 Ω pri 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Rovnako ako u filtra L, aj keď má naše výstupné zariadenie výstupnú kapacitu (dosková katóda pre elektrónky, kolektor na emitor pre BJT, často iba výstupná kapacita pre MOSFET, elektrónky a BJT), musíme ju odčítať od C1, pretože táto kapacita je paralelne k nej pripojený. Ak by sme ako výkonové výstupné zariadenie použili tranzistor IRF510 s výstupnou kapacitou 180 pF, bolo by potrebné, aby zariadenie C1 bolo 6,3 nF - 0,18 nF, teda 6,17 nF. Keby sme použili viac tranzistorov paralelne na získanie vyššieho výstupného výkonu, kapacity by sa sčítali.
Pre 3 IRF510 by to bolo 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, takže 5,76 nF namiesto 6,3 nF.
Ostatné LC obvody používané na prispôsobenie impedancie
Existuje veľa rôznych LC obvodov používaných na prispôsobenie impedancií, ako napríklad T filtre, špeciálne obvody pre tranzistorové výkonové zosilňovače alebo PI-L filtre (PI filter s prídavným induktorom).
