I föregående artikel diskuterade vi grunderna för impedansmatchning och hur man använder en impedansmatchningstransformator. Förutom att använda en impedansmatchningstransformator kan designers också använda impedansfilterkretsar vid utgången av en RF-förstärkare som kan fungera som en filterkrets och också som en impedansmatchningskrets. Det finns många typer av filterkretsar som kan användas för impedansmatchning, de vanligaste diskuteras i den här artikeln.
LC-filtermatchning
Olika LC-filter kan användas för att matcha impedanser och tillhandahålla filtrering. Filtrering är särskilt viktigt på uteffekten av RF-förstärkare eftersom de genererar många oönskade övertoner som måste filtreras innan de sänds av antennen eftersom de kan orsaka störningar och sända på andra frekvenser än de som stationen har godkänt att sända kan vara olagligt. Vi kommer att täcka lågpass LC-filtereftersom radioförstärkare bara genererar övertoner och harmoniska signaler alltid är basens multipel så att de alltid har högre frekvenser än bassignalen - det är därför vi använder lågpassfilter, de släpper igenom den önskade signalen medan de får bli av med övertoner. När vi utformar LC-filter kommer vi att prata om källmotstånd och belastningsmotstånd istället för impedans, för om belastningen eller källan har någon serie eller parallell induktans eller kapacitans och därför icke-resistiv impedans blir beräkningarna mycket mer komplexa. I det här fallet är det bäst att använda ett PI-filter eller L-filterkalkylator. I de flesta fall, såsom integrerade kretsar, korrekt gjorda och avstämda antenner, TV- och radiomottagare, sändare, etc. utgång / ingångsimpedans = motstånd.
"Q" -faktor
Varje LC-filter har en parameter som kallas en Q (kvalitets) -faktor. I lågpass- och högpassfiltret bestämmer frekvensresponsens branthet. Ett lågt Q-filter kommer att vara mycket bredband och filtrerar inte bort oönskade frekvenser lika bra som ett högt Q-filter. Ett filter med högt Q filtrerar bort oönskade frekvenser, men det har en resonant topp, så det fungerar också som ett bandpassfilter. En hög Q-faktor minskar ibland effektiviteten.
L-filter
L-filter är den enklaste formen av LC-filter. De består av en kondensator och en induktor, ansluten på ett sätt som liknar det som finns i RC-filter, med induktorn som ersätter motståndet. De kan användas för att matcha impedans som är högre eller lägre än källimpedansen. I varje L-filter finns det bara en kombination av L och C som kan matcha en given ingångsimpedans till given utgångsimpedans.
För att till exempel matcha en 50 Ω belastning till en 100 Ω belastning vid 14 MHz behöver vi en 560nH induktor med en 114pF kondensator - det här är den enda kombinationen som kan matcha vid denna frekvens med dessa motstånd. Deras Q-faktor, och därför hur bra filtret är lika med
√ ((R A / R B) -1) = Q
Där R A är den större impedans, är RL den mindre impedans, och Q är Q-faktorn med den lämpliga last ansluten.
I vårt fall kommer den laddade Q att vara lika med √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Om vi ville ha mer eller mindre filtrering (olika Q) skulle vi behöva PI-filter, där Q är helt justerbar och du kan ha olika L- och C-kombinationer som kan ge dig önskad matchning vid en given frekvens, var och en med olika Q.
För att beräkna värdena för L-filterkomponenter behöver vi tre saker: källans utgångsmotstånd, belastningens motstånd och driftsfrekvensen.
Exempelvis kommer källans utgångsmotstånd att vara 3000 Ω, belastningsmotståndet är 50 Ω och frekvensen är 14 MHz. Eftersom vårt källmotstånd är större än belastningsmotståndet kommer vi att använda filteret “b”
Först måste vi beräkna reaktansen för de två komponenterna i ett L-filter, sedan kan vi beräkna induktansen och kapacitansen baserat på reaktans och användningsfrekvens:
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
Vi använder en reaktansräknare för att bestämma en induktans som har en 384,1 Ω reaktans vid 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
Vi använder en reaktansräknare för att bestämma en induktans som har en 390,6 Ω reaktans vid 14 MHz
C = 29,1 pF
Som du kan se är filterets frekvensrespons ett lågt pass med en resonanttopp vid 14 MHz, resonanttoppen orsakas av att filtret har en hög Q om Q var lägre skulle filtret vara lågpass utan en topp. Om vi ville ha en annan Q, så att filtret skulle vara mer bredband, skulle vi behöva använda ett PI-filter eftersom L-filterets Q beror på källmotstånd och belastningsmotstånd. Om vi använder den här kretsen för att matcha utgångsimpedansen hos ett rör eller en transistor, skulle vi behöva subtrahera utgången till jordkapacitansen från filterets kondensator eftersom de är parallella. Om vi använder en transistor med en kollektor-emitterkapacitans (aka utgångskapacitans) på 10pF, bör kapacitansen på C vara 19,1 pF istället för 29,1 pF.
PI-filter
PI-filtret är en mycket mångsidig matchningskrets, den består av 3 reaktiva element, vanligtvis två kondensatorer och en induktor. Till skillnad från L-filtret, där endast en kombination av L och C gav den erforderliga impedansmatchningen vid en given frekvens, möjliggör PI-filtret flera kombinationer av Cl, C2 och L för att uppnå önskad impedansmatchning, varvid varje kombination har olika Q.
PI-filter används oftare i applikationer, där det finns behov av att ställa in olika belastningsmotstånd eller till och med komplexa impedanser, såsom RF-effektförstärkare eftersom deras ingång till utgångsimpedansförhållande (r i) bestäms av förhållandet mellan kondensatorerna i kvadrat, så vid inställning på en annan impedans kan spolen förbli densamma, medan endast kondensatorer är inställda. C1 och C2 i RF-effektförstärkare är ofta variabla.
(C1 / C2) ² = r i
När vi vill ha ett mer bredbandsfilter använder vi Q lite över Q krit när vi vill ha ett skarpare filter, till exempel vid utgången från en RF-effektförstärkare använder vi Q som är mycket större än Q crit, men under 10, som ju högre filter är Q desto lägre effektivitet. Typiskt Q för PI-filter i RF-utgångssteg är 7, men detta värde kan variera.
Q krit = √ (R A / R B -1)
Var: R A är det högre av de två (käll- eller belastnings-) motstånden och R B är det mindre motståndet. I allmänhet kan PI-filtret vid högre Q betraktas och ignorerar impedansmatchning som en parallell resonanskrets gjord av en spole L och en kondensator C med en kapacitans lika med:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Denna resonanskrets bör resonera vid den frekvens som filtret kommer att användas.
För att beräkna värdena för PI-filterkomponenter behöver vi fyra saker: källans utgångsmotstånd, belastningens motstånd, driftsfrekvensen och Q.
Vi måste till exempel matcha en 8Ω-källa till en 75Ω-belastning med en Q på 7.
R A är det högre av de två (käll- eller belastnings) motstånden och R B är det mindre motståndet.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Vi använder en reaktansräknare för att bestämma en kapacitans som har en 10,7 Ω reaktans vid 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
Vi använder en reaktansräknare för att bestämma en induktans som har en 14,84 Ω reaktans vid 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
Vi använder en reaktansräknare för att bestämma en kapacitans som har en reaktans på 3,59 Ω vid 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Liksom med L-filtret, om vår utgångsenhet har någon utgångskapacitans (plattkatod för rör, kollektor till emitter för BJT, ofta bara utmatningskapacitans för MOSFET, rör och BJT) måste vi subtrahera den från C1 eftersom den kapacitansen är ansluten parallellt med den. Om vi använde en IRF510-transistor, med en 180 pF utgångskapacitans, skulle C1 behöva vara 6,3 nF-0,18 nF, så 6,17 nF. Om vi använde flera transistorer parallellt för att få en högre uteffekt skulle kapacitanserna summeras.
För 3 IRF510 skulle det vara 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, så 5,76 nF istället för 6,3 nF.
Andra LC-kretsar Används för impedansmatchning
Det finns många olika LC-kretsar som används för att matcha impedanser, såsom T-filter, speciella matchningskretsar för transistoreffektförstärkare eller PI-L-filter (PI-filter med en extra induktor).
