Impedanssia vastaava suodatinpiirisuunnittelu - lc-, l- ja pi-suodattimet

Edellisessä artikkelissa keskustelimme impedanssin sovittamisen perusteista ja siitä, miten impedanssin sovitusmuuntajaa käytetään. Sen lisäksi, että käytetään impedanssisovitusmuuntajaa, suunnittelijat voivat myös käyttää impedanssisuodatinpiirejä RF-vahvistimen ulostulossa, joka voi kaksinkertaistaa suodatuspiirinä ja myös impedanssin sovituspiirinä. Impedanssin sovituksessa voidaan käyttää monentyyppisiä suodatinpiirejä, joista yleisimpiä käsitellään tässä artikkelissa.

LC-suodattimen sovitus

Erilaisia LC-suodattimia voidaan käyttää impedanssien sovittamiseen ja suodatuksen aikaansaamiseen. Suodatus on erityisen tärkeää RF-tehovahvistimien ulostulossa, koska ne tuottavat paljon ei-toivottuja harmonisia yliaaltoja, jotka on suodatettava ennen kuin antenni lähettää ne, koska ne voivat aiheuttaa häiriöitä ja lähettämistä muilla kuin taajuuksilla, joille asema on hyväksytty lähettämään voi olla laitonta. Katamme alipäästöiset LC-suodattimetkoska radiotehovahvistimet tuottavat vain harmonisia yliaaltoja, ja harmoniset signaalit ovat aina tukisignaalien koko kerrannaisia, joten niillä on aina korkeampia taajuuksia kuin perussignaalilla - siksi käytämme alipäästösuodattimia, ne päästävät halutun signaalin läpi eroon harmonisista. LC-suodattimia suunniteltaessa puhutaan lähteen resistanssista ja kuormitusvastuksesta impedanssin sijasta, koska jos kuormalla tai lähteellä on sarja tai rinnakkaista induktanssia tai kapasitanssia ja siksi ei-resistiivistä impedanssia, laskelmat ovat paljon monimutkaisempia. Tässä tapauksessa on parasta käyttää PI-suodatinta tai L-suodatinlaskinta. Useimmissa tapauksissa, kuten integroidut piirit, oikein tehdyt ja viritetyt antennit, TV- ja radiovastaanottimet, lähettimet jne. Lähtö / tuloimpedanssi = vastus.

"Q" -kerroin

Jokaisella LC-suodattimella on parametri, joka tunnetaan Q (laatu) -kertoimena, alipäästö- ja ylipäästösuodattimissa se määrittää taajuusvasteen jyrkkyyden. Matalan Q-suodatin on hyvin laajakaistainen, eikä se suodata pois yhtä hyviä ei-toivottuja taajuuksia kuin korkea Q-suodatin. Korkean Q-suodatin suodattaa pois ei-toivotut taajuudet, mutta sillä on resonanssipiikki, joten se toimii myös kaistanpäästösuodattimena. Korkea Q-tekijä vähentää toisinaan tehokkuutta.

L-suodattimet

L-suodattimet ovat yksinkertaisin LC-suodattimien muoto. Ne koostuvat kondensaattorista ja induktorista, jotka on kytketty samalla tavalla kuin RC-suodattimissa, jolloin induktori korvaa vastuksen. Niitä voidaan käyttää impedanssin sovittamiseen, joka on korkeampi tai pienempi kuin lähdeimpedanssi. Jokaisessa L-suodattimessa on vain yksi L: n ja C: n yhdistelmä, joka voi sovittaa annetun impedanssin annettuun lähtöimpedanssiin.

Esimerkiksi 50 Ω: n kuormituksen sovittamiseksi 100 Ω: n kuormitukseen 14 MHz: llä tarvitaan 560nH-induktori, jonka kondensaattori on 114pF - tämä on ainoa yhdistelmä, joka voi sovittaa tällä taajuudella näiden vastusten kanssa. Heidän Q-tekijänsä ja siksi kuinka hyvä suodatin on yhtä suuri

√ ((R _A / R _B) -1) = Q

Jossa R on suurempi impedanssi, RL on pienempi impedanssi, ja Q on Q tekijä sopivan kuormaa.

Meidän tapauksessamme ladattu Q on yhtä suuri kuin √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Jos haluaisimme enemmän tai vähemmän suodatusta (eri Q), tarvitsisimme PI-suodatin, jossa Q on täysin säädettävissä ja sinulla voi olla erilaisia ​​L- ja C-yhdistelmiä, jotka antavat sinulle vaaditun sovituksen tietyllä taajuudella, jokaisella on erilainen Q.

Ja arvojen laskemiseen L suodattimen komponenttien, tarvitaan kolme asiaa: lähtö vastus lähde, kuorman resistanssi ja taajuus toiminnan.

Esimerkiksi lähteen lähtöresistanssi on 3000 Ω, kuormitusvastus 50 Ω ja taajuus 14 MHz. Koska lähdevastus on suurempi kuin kuormitusvastus, käytämme suodatinta “b”

Ensinnäkin meidän on laskettava L-suodattimen kahden komponentin reaktanssi, sitten voimme laskea induktanssin ja kapasitanssin reaktanssin ja käyttötiheyden perusteella:

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

Reaktanssilaskurin avulla määritetään induktanssi, jonka reaktanssi on 384,1 Ω taajuudella 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

Reaktanssilaskurin avulla määritetään induktanssi, jonka reaktanssi on 390,6 Ω taajuudella 14 MHz

C = 29,1 pF

Kuten näette, suodattimen taajuusvaste on alipäästö, jossa on resonanssipiikki 14 MHz: ssä, resonanssipiikin aiheuttaa se, että suodattimella on korkea Q, jos Q ​​olisi pienempi, suodatin olisi alipäästöinen ilman huippua. Jos haluaisimme toisen Q: n, joten suodatin olisi laajakaistaisempi, meidän on käytettävä PI-suodatinta, koska L-suodattimen Q riippuu lähteen vastuksesta ja kuormitusvastuksesta. Jos käytämme tätä virtapiiriä vastaamaan putken tai transistorin lähtöimpedanssia, meidän on vähennettävä lähtö maadoituskapasitanssille suodattimen kondensaattorista, koska ne ovat rinnakkain. Jos käytämme transistoria, jonka kollektori-emitterikapasitanssi (alias ulostulokapasitanssi) on 10 pF, C: n kapasitanssin tulisi olla 19,1 pF eikä 29,1 pF.

PI-suodattimet

PI-suodatin on erittäin monipuolinen sovituspiiri, se koostuu 3 reaktiivisesta elementistä, yleensä kahdesta kondensaattorista ja yhdestä induktorista. Toisin kuin L-suodatin, jossa vain yksi L: n ja C: n yhdistelmä antoi vaaditun impedanssin sovituksen tietyllä taajuudella, PI-suodatin sallii useiden C1, C2 ja L yhdistelmien yhdistämisen halutun impedanssisovituksen saavuttamiseksi, jokaisella yhdistelmällä on erilainen Q.

PI-suodattimia käytetään useammin sovelluksissa, joissa on tarpeen säätää erilaisille kuormitusresistansseille tai jopa monimutkaisille impedansseille, kuten RF-tehovahvistimille, koska niiden tulo- ja lähtöimpedanssisuhde (r _i) määräytyy kondensaattoreiden neliösumman suhteen, joten kun viritetään eri impedanssille, kela voi pysyä samana, kun vain kondensaattorit viritetään. RF-vahvistimien C1 ja C2 vaihtelevat usein.

(C1 / C2) 2 = r _i

Kun haluamme laajemman laajakaistasuodattimen, käytämme Q: ta hieman Q- _kriitin yläpuolella, kun haluamme terävämmän suodattimen, kuten RF-tehovahvistimen lähdössä käytämme Q: ta, joka on paljon suurempi kuin Q _crit, mutta alle 10 korkeampi suodattimen Q on pienempi hyötysuhde. Tyypillinen PI-suodattimien Q RF-ulostulovaiheissa on 7, mutta tämä arvo voi vaihdella.

Q _crit = √ (R _A / R _B -1)

Jossa: R on suurempi kahdesta (lähde tai kuorman) resistanssit ja R _B on pienempi vastus. Yleensä PI-suodatinta korkeammalla Q: lla voidaan pitää ottamatta huomioon impedanssin sovittamista rinnakkaiseksi resonanssipiiriksi, joka on valmistettu kelasta L ja kondensaattorista C, jonka kapasitanssi on yhtä suuri:

C = (C1 * C2) / (C1 + C2)

Tämän resonanssipiirin tulisi resonoida taajuudella, jota suodatinta käytetään.

PI-suodatinkomponenttien arvojen laskemiseksi tarvitsemme neljä asiaa: lähteen lähtöresistanssi, kuorman vastus, toimintataajuus ja Q.

Meidän on esimerkiksi sovitettava 8Ω: n lähde 75Ω: n kuormaan, jonka Q on 7.

R on suurempi kahdesta (lähde tai kuorman) resistanssit ja R _B on pienempi vastus.

X _C1 = R _A / QX _C1 = 75 Ω / 7 X _C1 = 10,7 Ω

Käytämme reaktanssilaskuria kapasitanssin määrittämiseksi, jolla on 10,7 Ω: n reaktanssi taajuudella 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

Reaktanssilaskurin avulla määritetään induktanssi, jonka reaktanssi on 14,84 Ω taajuudella 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

Käytämme reaktanssilaskuria kapasitanssin määrittämiseen, jonka reaktanssi on 3,59 Ω taajuudella 7 MHz

C2 = 6,3 nF

Kuten L-suodattimen kohdalla, jos lähtölaitteellamme on lähtökapasitanssi (levy-katodi putkille, kollektori-emitteri BJT: lle, usein vain lähtökapasitanssi MOSFETille, putkille ja BJT: lle), meidän on vähennettävä se C1: stä, koska kapasitanssi on kytketty rinnakkain sen kanssa. Jos käytämme IRF510-transistoria, jonka lähtökapasitanssi on 180 pF, teholähtölaitteen C1 on oltava 6,3 nF-0,18 nF, joten 6,17 nF. Jos käytettäisimme useita transistoreita rinnakkain suuremman lähtötehon saamiseksi, kapasitanssit laskisivat yhteen.

3 IRF510: n tapauksessa se olisi 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, joten 5,76 nF 6,3 nF: n sijasta.

Muut LC-piirit, joita käytetään impedanssin sovittamiseen

Impedanssien sovittamiseen käytetään useita erilaisia ​​LC-piirejä, kuten T-suodattimet, erityiset sovituspiirit transistorin tehovahvistimille tai PI-L-suodattimet (PI-suodatin ylimääräisellä induktorilla).