V předchozím článku jsme diskutovali základy impedančního přizpůsobování a jak používat transformátor přizpůsobení impedance. Kromě použití transformátoru přizpůsobení impedance mohou návrháři také použít obvody Impedance Filter na výstupu RF zesilovače, který se může zdvojnásobit jako filtrační obvod a také jako obvod přizpůsobení impedance. Existuje mnoho typů filtračních obvodů, které lze použít pro přizpůsobení impedance, nejběžnější jsou popsány v tomto článku.
LC filtr odpovídá
K přizpůsobení impedancí a zajištění filtrování lze použít různé LC filtry. Filtrování je zvláště důležité na výstupu výkonových vysokofrekvenčních zesilovačů, protože generují mnoho nežádoucích harmonických, které je třeba filtrovat před tím, než jsou vysílány anténou, protože mohou způsobovat rušení a vysílání na jiných frekvencích, než na kterých je stanice schválena k vysílání. na může být nezákonné. Pokryjeme low-pass LC filtryprotože rádiové výkonové zesilovače generují pouze harmonické a harmonické signály jsou vždy celým násobkem základních signálů, takže mají vždy vyšší frekvence než základní signál - proto používáme dolní propusti, které propouštějí požadovaný signál, zatímco získávají zbavit harmonických. Při navrhování LC filtrů budeme hovořit o odporu zdroje a odporu zátěže namísto impedance, protože pokud má zátěž nebo zdroj nějakou sériovou nebo paralelní indukčnost nebo kapacitu, a proto neohmovou impedanci, jsou výpočty mnohem složitější. V tomto případě je nejlepší použít PI filtr nebo L filtr kalkulátoru. Ve většině případů, jako jsou integrované obvody, správně vyrobené a vyladěné antény, televizní a rozhlasové přijímače, vysílače atd., Výstupní / vstupní impedance = odpor.
Faktor „Q“
Každý LC filtr má parametr známý jako Q (kvalitativní) faktor, ve filtrech pro dolní a horní propust určuje strmost frekvenční odezvy. Filtr s nízkým Q bude velmi širokopásmový a nebude odfiltrovat nežádoucí frekvence tak dobré jako filtr s vysokým Q. Filtr s vysokým Q odfiltruje nežádoucí frekvence, ale bude mít rezonanční špičku, takže bude také fungovat jako pásmový filtr. Vysoký faktor Q někdy snižuje účinnost.
L filtry
L filtry jsou nejjednodušší formou LC filtrů. Skládají se z kondenzátoru a induktoru, které jsou spojeny podobným způsobem jako u RC filtrů, přičemž induktor nahrazuje rezistor. Mohou být použity k přizpůsobení impedance, která je vyšší nebo nižší než impedance zdroje. V každém L filtru existuje pouze jedna kombinace L a C, která dokáže porovnat danou vstupní impedanci s danou výstupní impedancí.
Například pro přizpůsobení zátěže 50 Ω zátěži 100 Ω při 14MHz potřebujeme induktor 560nH s kondenzátorem 114pF - to je jediná kombinace, která dokáže na této frekvenci přizpůsobit tyto odpory. Jejich Q faktor, a tedy jak dobrý je filtr
√ ((R A / R B) -1) = Q
Kde R A je větší impedance, RL je menší impedance a Q je faktor Q s připojenou příslušnou zátěží.
V našem případě se načtené Q bude rovnat √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Pokud bychom chtěli více či méně filtrování (různé Q), potřebovali bychom PI filtr, kde Q je plně nastavitelný a můžete mít různé kombinace L a C, které vám mohou poskytnout požadovanou shodu na dané frekvenci, každá s jiným Q.
Pro výpočet hodnot komponent L filtru potřebujeme tři věci: výstupní odpor zdroje, odpor zátěže a frekvenci provozu.
Například výstupní odpor zdroje bude 3 000 Ω, odpor zátěže bude 50 Ω a frekvence bude 14 MHz. Protože je náš zdrojový odpor větší než odpor zátěže, použijeme filtr „b“
Nejprve musíme vypočítat reaktanci dvou složek L filtru, pak můžeme vypočítat indukčnost a kapacitu na základě reaktance a frekvence použití:
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
K určení indukčnosti, která má reaktanci 384,1 Ω při 14 MHz, používáme kalkulačku reaktance
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
K výpočtu indukčnosti, která má reaktanci 390,6 Ω při 14 MHz, používáme kalkulačku reaktance
C = 29,1 pF
Jak vidíte, frekvenční odezva filtru je dolní propust s rezonančním vrcholem na 14 MHz, rezonanční špička je způsobena tím, že filtr má vysoké Q, pokud je Q nižší, filtr by byl dolní propust bez špičky. Pokud bychom chtěli jiný Q, takže filtr by byl více širokopásmový, museli bychom použít PI filtr, protože Q filtr L závisí na odporu zdroje a odporu zátěže. Použijeme-li tento obvod k přizpůsobení výstupní impedance trubice nebo tranzistoru, museli bychom odečíst výstup od země od kondenzátoru filtru, protože jsou paralelní. Pokud použijeme tranzistor s kapacitou kolektoru a emitoru (aka výstupní kapacita) 10pF, měla by být kapacita C 19,1 pF místo 29,1 pF.
PI filtry
PI filtr je velmi univerzální přizpůsobovací obvod, skládá se ze 3 reaktivních prvků, obvykle dvou kondenzátorů a jednoho induktoru. Na rozdíl od L filtru, kde pouze jedna kombinace L a C poskytla požadované impedanční přizpůsobení na dané frekvenci, umožňuje PI filtr více kombinací C1, C2 a L k dosažení požadovaného přizpůsobení impedance, přičemž každá kombinace má jiné Q.
PI filtry se častěji používají v aplikacích, kde je potřeba naladit se na různé odpory zátěže nebo dokonce na složité impedance, jako jsou RF výkonové zesilovače, protože jejich poměr vstupní a výstupní impedance (r i) je určen poměrem čtverců kondenzátorů, takže při ladění na jinou impedanci může cívka zůstat stejná, zatímco jsou naladěny pouze kondenzátory. C1 a C2 v RF výkonových zesilovačích jsou často proměnlivé.
(C1 / C2) ² = r i
Když chceme širší pásmový filtr, použijeme Q trochu nad Qkrit, když chceme ostřejší filtr, například na výstupu RF výkonového zesilovače použijeme Q, které je mnohem větší než Qkrit, ale pod 10, jako čím vyšší je Q filtru, tím nižší je účinnost. Typické Q PI filtrů ve výstupních stupních RF je 7, ale tato hodnota se může lišit.
Q crit = √ (R / R B -1)
Kde: R A je vyšší ze dvou (zdrojových nebo zátěžových) odporů a R B je menší odpor. Obecně lze považovat PI filtr při vyšším Q, ignorování impedančního přizpůsobení jako paralelního rezonančního obvodu vytvořeného z cívky L a kondenzátoru C s kapacitou rovnou:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Tento rezonanční obvod by měl rezonovat na frekvenci, kterou bude filtr používat.
Pro výpočet hodnot komponent PI filtru potřebujeme čtyři věci: výstupní odpor zdroje, odpor zátěže, provozní frekvenci a Q.
Například musíme spojit zdroj 8Ω se zátěží 75Ω s Q 7.
R A je vyšší ze dvou (zdrojových nebo zátěžových) odporů a R B je menší odpor.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
K výpočtu kapacity, která má reaktanci 10,7 Ω při 7 MHz, používáme kalkulačku reaktance
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
K výpočtu indukčnosti, která má reaktanci 14,84 Ω při 7 MHz, používáme kalkulačku reaktance
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
K výpočtu kapacity, která má reaktanci 3,59 Ω při 7 MHz, používáme kalkulačku reaktance
C2 = 6,3 nF
Stejně jako u filtru L, pokud má naše výstupní zařízení jakoukoli výstupní kapacitu (desková katoda pro elektronky, kolektor k emitoru pro BJT, často jen výstupní kapacita pro MOSFET, elektronky a BJT), musíme ji odečíst od C1, protože tato kapacita je paralelně s ním. Pokud bychom použili tranzistor IRF510 s výstupní kapacitou 180 pF jako výstupním výkonovým zařízením C1, muselo by to být 6,3 nF-0,18 nF, tedy 6,17 nF. Pokud bychom použili více tranzistorů paralelně k získání vyššího výstupního výkonu, kapacit by se sečetly.
Pro 3 IRF510 by to bylo 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, takže 5,76 nF místo 6,3 nF.
Další LC obvody používané pro přizpůsobení impedance
Existuje mnoho různých LC obvodů používaných pro přizpůsobení impedancí, jako jsou T filtry, speciální obvody pro tranzistorové výkonové zesilovače nebo PI-L filtry (PI filtr s přídavným induktorem).
