- LC-filterafstemming
- L-filters
- PI-filters
- Andere LC-circuits die worden gebruikt voor impedantie-aanpassing
In het vorige artikel hebben we de basisprincipes van impedantie-aanpassing besproken en het gebruik van een impedantie-aanpassingstransformator. Afgezien van het gebruik van een impedantie-aanpassingstransformator, kunnen ontwerpers ook impedantiefiltercircuits gebruiken aan de uitgang van een RF-versterker die kunnen worden gebruikt als filtercircuit en ook als impedantie-aanpassingscircuit. Er zijn veel soorten filtercircuits die kunnen worden gebruikt voor impedantie-aanpassing, de meest voorkomende worden in dit artikel besproken.
LC-filterafstemming
Er kunnen verschillende LC-filters worden gebruikt om impedanties aan te passen en te filteren. Filtering is vooral belangrijk op de output van RF-vermogensversterkers omdat ze veel ongewenste harmonischen genereren die moeten worden gefilterd voordat ze door de antenne worden verzonden, omdat ze interferentie kunnen veroorzaken en kunnen zenden op andere frequenties dan die waarvoor het station is goedgekeurd. op kan illegaal zijn. We behandelen laagdoorlaat LC-filtersomdat radiovermogensversterkers alleen harmonischen genereren en harmonische signalen altijd het gehele veelvoud van de basissignalen zijn, dus ze hebben altijd hogere frequenties dan het basissignaal - daarom gebruiken we laagdoorlaatfilters, ze laten het gewenste signaal door terwijl ze ontdoen van harmonischen. Bij het ontwerpen van LC-filters zullen we het hebben over bronweerstand en belastingsweerstand in plaats van impedantie, want als de belasting of bron een serie of parallelle inductantie of capaciteit heeft, en dus niet-resistieve impedantie, worden de berekeningen veel complexer. In dit geval kunt u het beste een PI-filter of L-filtercalculator gebruiken. In de meeste gevallen, zoals geïntegreerde schakelingen, goed gemaakte en afgestemde antennes, tv- en radio-ontvangers, zenders, enz. Uitgang / ingangsimpedantie = weerstand.
"Q" -factor
Elk LC-filter heeft een parameter die bekend staat als een Q-factor (kwaliteitsfactor), in de laag- en hoogdoorlaatfilters bepaalt het de steilheid van de frequentierespons. Een lage Q-filter zal erg breedband zijn en zal ongewenste frequenties niet zo goed filteren als een hoge Q-filter. Een hoog Q-filter filtert ongewenste frequenties weg, maar het heeft een resonantiepiek, dus het werkt ook als een banddoorlaatfilter. Een hoge Q-factor vermindert soms de efficiëntie.
L-filters
L-filters zijn de eenvoudigste vorm van LC-filters. Ze bestaan uit een condensator en een inductor, verbonden op een manier die vergelijkbaar is met die in RC-filters, waarbij de inductor de weerstand vervangt. Ze kunnen worden gebruikt om impedantie aan te passen die hoger of lager is dan de bronimpedantie. In elk L-filter is er maar één combinatie van L en C die een gegeven ingangsimpedantie kan afstemmen op een gegeven uitgangsimpedantie.
Om bijvoorbeeld een belasting van 50 Ω af te stemmen op een belasting van 100 Ω bij 14 MHz, hebben we een inductor van 560 nH met een condensator van 114 pF nodig - dit is de enige combinatie die bij deze frequentie met deze weerstanden kan matchen. Hun Q-factor, en dus hoe goed het filter gelijk is
√ ((R A / R B) -1) = Q
Waar R A de grotere impedantie is, RL de kleinere impedantie en Q de Q-factor met de juiste aangesloten belasting.
In ons geval is de geladen Q gelijk aan √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Als we meer of minder filtering (andere Q) willen, hebben we de PI-filter, waarbij Q volledig instelbaar is en u verschillende L- en C-combinaties kunt hebben die u de vereiste matching op een bepaalde frequentie kunnen geven, elk met een andere Q.
Om de waarden van L-filtercomponenten te berekenen, hebben we drie dingen nodig: uitgangsweerstand van de bron, weerstand van de belasting en de werkingsfrequentie.
De uitgangsweerstand van de bron is bijvoorbeeld 3000 Ω, de belastingsweerstand is 50 Ω en de frequentie is 14 MHz. Omdat onze bronweerstand groter is dan de belastingsweerstand, gebruiken we het “b” -filter
Eerst moeten we de reactantie van de twee componenten van een L-filter berekenen, daarna kunnen we de inductantie en capaciteit berekenen op basis van reactantie en gebruiksfrequentie:
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
We gebruiken een reactantiecalculator om een inductantie te bepalen met een reactantie van 384,1 Ω bij 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
We gebruiken een reactantiecalculator om een inductantie te bepalen met een reactantie van 390,6 Ω bij 14 MHz
C = 29,1 pF
Zoals u kunt zien, is de frequentierespons van het filter een lage doorlaat met een resonantiepiek bij 14 MHz, de resonantiepiek wordt veroorzaakt doordat het filter een hoge Q heeft als de Q lager was, het filter zou laagdoorlaat zijn zonder een piek. Als we een andere Q wilden, zodat het filter meer breedband zou zijn, zouden we een PI-filter moeten gebruiken omdat de Q van het L-filter afhankelijk is van bronweerstand en belastingsweerstand. Als we dit circuit gebruiken om de uitgangsimpedantie van een buis of een transistor aan te passen, moeten we de uitgangs-naar-aarde-capaciteit aftrekken van de condensator van het filter omdat ze parallel zijn. Als we een transistor gebruiken met een collector-emittercapaciteit (ook bekend als uitgangscapaciteit) van 10 pF, moet de capaciteit van C 19,1 pF zijn in plaats van 29,1 pF.
PI-filters
Het PI-filter is een zeer veelzijdig aanpassingscircuit, het bestaat uit 3 reactieve elementen, meestal twee condensatoren en een inductor. In tegenstelling tot het L-filter, waar slechts één combinatie van L en C de vereiste impedantie-aanpassing op een gegeven frequentie gaf, maakt het PI-filter meerdere combinaties van C1, C2 en L mogelijk om de gewenste impedantie-aanpassing te bereiken, waarbij elke combinatie een andere Q heeft.
PI filters worden vaker gebruikt in toepassingen, waar nodig afstemming op verschillende belastingsweerstanden of complexe impedanties, zoals RF vermogensversterkers omdat de ingang uitgangsimpedantie ratio (r i) wordt bepaald door de verhouding van condensatoren geregeld, zodat bij het afstemmen op een andere impedantie kan de spoel hetzelfde blijven, terwijl alleen condensatoren worden afgestemd. C1 en C2 in RF-vermogensversterkers zijn vaak variabel.
(C1 / C2) ² = r ik
Als we een meer breedbandfilter willen, gebruiken we Q een klein beetje boven Q crit als we een scherper filter willen, zoals aan de uitgang van een RF-vermogensversterker gebruiken we Q die veel groter is dan Q crit, maar onder 10, als de hoe hoger de Q van het filter, hoe lager de efficiëntie. Typische Q van PI-filters in RF-eindtrappen is 7, maar deze waarde kan variëren.
Q kritiek = √ (R A / R B -1)
Waar: R A is de hoogste van de twee (bron of belasting) weerstanden en R B is de kleinere weerstand. Over het algemeen kan het PI-filter met een hogere Q worden beschouwd, waarbij impedantie-aanpassing wordt genegeerd als een parallelle resonantiekring gemaakt van een spoel L en een condensator C met een capaciteit gelijk aan:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Dit resonantiecircuit moet resoneren met de frequentie waarmee het filter zal worden gebruikt.
Om de waarden van een PI-filtercomponent te berekenen, hebben we vier dingen nodig: uitgangsweerstand van de bron, weerstand van de belasting, de werkingsfrequentie en Q.
We moeten bijvoorbeeld een 8Ω-bron matchen met een 75Ω-belasting met een Q van 7.
R A is de hoogste van de twee weerstanden (bron of belasting) en R B is de kleinere weerstand.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
We gebruiken een reactantiecalculator om een capaciteit te bepalen met een reactantie van 10,7 Ω bij 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
We gebruiken een reactantiecalculator om een inductantie te bepalen met een reactantie van 14,84 Ω bij 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
We gebruiken een reactantiecalculator om een capaciteit te bepalen die een reactantie van 3,59 Ω heeft bij 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Net als bij het L-filter, als ons uitvoerapparaat een uitvoercapaciteit heeft (plaatkathode voor buizen, collector naar emitter voor BJT, vaak alleen uitvoercapaciteit voor MOSFET's, buizen en BJT's), moeten we deze aftrekken van C1 omdat die capaciteit is parallel ermee verbonden. Als we een IRF510-transistor zouden gebruiken, met een uitgangscapaciteit van 180 pF, zou C1 als uitgangsapparaat voor vermogen 6,3 nF-0,18 nF moeten zijn, dus 6,17 nF. Als we meerdere transistors parallel zouden gebruiken om een hoger uitgangsvermogen te krijgen, zouden de capaciteiten optellen.
Voor 3 IRF510 zou het 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF zijn, dus 5,76 nF in plaats van 6,3 nF.
Andere LC-circuits die worden gebruikt voor impedantie-aanpassing
Er zijn talrijke verschillende LC-circuits die worden gebruikt om impedanties aan te passen, zoals T-filters, speciale aanpassingscircuits voor transistorvermogensversterkers of PI-L-filters (PI-filter met een extra inductor).
