Impedanzanpassungsfilterschaltungsdesign - lc-, l- und pi-Filter

Im vorherigen Artikel haben wir die Grundlagen der Impedanzanpassung und die Verwendung eines Impedanzanpassungstransformators erläutert. Neben der Verwendung eines Impedanzanpassungstransformators können Entwickler auch Impedanzfilterschaltungen am Ausgang eines HF-Verstärkers verwenden, die sowohl als Filterschaltung als auch als Impedanzanpassungsschaltung dienen können. Es gibt viele Arten von Filterschaltungen, die für die Impedanzanpassung verwendet werden können. Die häufigsten werden in diesem Artikel erläutert.

LC Filter Matching

Verschiedene LC-Filter können verwendet werden, um Impedanzen anzupassen und Filterung bereitzustellen. Die Filterung ist besonders wichtig für den Ausgang von HF-Leistungsverstärkern, da sie viele unerwünschte Oberwellen erzeugen, die gefiltert werden müssen, bevor sie von der Antenne gesendet werden, da sie Störungen verursachen und auf anderen Frequenzen als denen senden können, für deren Übertragung die Station zugelassen ist on kann illegal sein. Wir werden Tiefpass-LC-Filter behandelnDa Funkleistungsverstärker nur Oberwellen erzeugen und Oberschwingungssignale immer das ganze Vielfache der Basissignale sind, haben sie immer höhere Frequenzen als das Basissignal. Deshalb verwenden wir Tiefpassfilter. Sie lassen das gewünschte Signal durch, während sie empfangen werden Oberschwingungen loswerden. Bei der Entwicklung von LC-Filtern werden wir uns mit dem Quellenwiderstand und dem Lastwiderstand anstelle der Impedanz befassen, da die Berechnungen viel komplexer werden, wenn die Last oder Quelle eine serielle oder parallele Induktivität oder Kapazität und damit eine nichtwiderstandsfähige Impedanz aufweist. In diesem Fall ist es am besten, einen PI-Filter oder einen L-Filter-Rechner zu verwenden. In den meisten Fällen, z. B. bei integrierten Schaltkreisen, ordnungsgemäß hergestellten und abgestimmten Antennen, Fernseh- und Radioempfängern, Sendern usw., ist die Ausgangs- / Eingangsimpedanz = Widerstand.

"Q" -Faktor

Jedes LC-Filter hat einen Parameter, der als Q-Faktor (Qualitätsfaktor) bekannt ist. In den Tiefpass- und Hochpassfiltern bestimmt er die Steilheit des Frequenzgangs. Ein Filter mit niedrigem Q ist sehr breitbandig und filtert unerwünschte Frequenzen nicht so gut heraus wie ein Filter mit hohem Q. Ein Filter mit hohem Q filtert unerwünschte Frequenzen heraus, hat jedoch eine Resonanzspitze, sodass es auch als Bandpassfilter fungiert. Ein hoher Q-Faktor verringert manchmal die Effizienz.

L Filter

L-Filter sind die einfachste Form von LC-Filtern. Sie bestehen aus einem Kondensator und einer Induktivität, die ähnlich wie bei RC-Filtern verbunden sind, wobei die Induktivität den Widerstand ersetzt. Sie können verwendet werden, um eine Impedanz anzupassen, die höher oder niedriger als die Quellenimpedanz ist. In jedem L-Filter gibt es nur eine Kombination von L und C, die eine bestimmte Eingangsimpedanz an eine bestimmte Ausgangsimpedanz anpassen kann.

Um beispielsweise eine 50 Ω-Last an eine 100 Ω-Last bei 14 MHz anzupassen, benötigen wir eine 560 nH-Induktivität mit einem 114 pF-Kondensator - dies ist die einzige Kombination, die bei dieser Frequenz eine Anpassung mit diesen Widerständen durchführen kann. Ihr Q-Faktor und damit, wie gut der Filter ist

√ ((R _A / R _B) -1) = Q.

Wobei R _A die größere Impedanz ist, RL die kleinere Impedanz ist und Q der Q-Faktor ist, wenn die entsprechende Last angeschlossen ist.

In unserem Fall ist das geladene Q gleich √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Wenn wir mehr oder weniger Filterung (anderes Q) wünschen, benötigen wir das PI-Filter, bei dem Q vollständig einstellbar ist und Sie verschiedene L- und C-Kombinationen haben können, die Ihnen die erforderliche Anpassung bei einer bestimmten Frequenz mit jeweils einem anderen Q ermöglichen.

Um die Werte von L Filterkomponenten zu berechnen, benötigen wir drei Dinge: Ausgangswiderstand der Quelle, Widerstand der Last und Betriebsfrequenz.

Beispielsweise beträgt der Ausgangswiderstand der Quelle 3000 Ω, der Lastwiderstand 50 Ω und die Frequenz 14 MHz. Da unser Quellenwiderstand größer als der Lastwiderstand ist, verwenden wir den Filter „b“

Zuerst müssen wir die Reaktanzen der beiden Komponenten eines L-Filters berechnen, dann können wir die Induktivität und Kapazität basierend auf Reaktanz und Verwendungshäufigkeit berechnen:

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

Wir verwenden einen Reaktanzrechner, um eine Induktivität mit einer Reaktanz von 384,1 Ω bei 14 MHz zu bestimmen

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

Wir verwenden einen Reaktanzrechner, um eine Induktivität mit einer Reaktanz von 390,6 Ω bei 14 MHz zu bestimmen

C = 29,1 pF

Wie Sie sehen können, ist der Frequenzgang des Filters ein Tiefpass mit einer Resonanzspitze bei 14 MHz. Die Resonanzspitze wird durch das Filter mit einem hohen Q verursacht, wenn der Q niedriger wäre. Das Filter wäre ein Tiefpass ohne Spitze. Wenn wir ein anderes Q wünschen, damit das Filter breiter ist, müssten wir ein PI-Filter verwenden, da das Q des L-Filters vom Quellenwiderstand und vom Lastwiderstand abhängt. Wenn wir diese Schaltung verwenden, um die Ausgangsimpedanz einer Röhre oder eines Transistors anzupassen, müssten wir die Kapazität von Ausgang zu Masse vom Kondensator des Filters subtrahieren, da diese parallel sind. Wenn wir einen Transistor mit einer Kollektor-Emitter-Kapazität (auch als Ausgangskapazität bezeichnet) von 10 pF verwenden, sollte die Kapazität von C 19,1 pF anstelle von 29,1 pF betragen.

PI-Filter

Das PI-Filter ist eine sehr vielseitige Anpassungsschaltung, es besteht aus 3 reaktiven Elementen, normalerweise zwei Kondensatoren und einer Induktivität. Im Gegensatz zum L-Filter, bei dem nur eine Kombination von L und C die erforderliche Impedanzanpassung bei einer bestimmten Frequenz ergab, ermöglicht das PI-Filter mehrere Kombinationen von C1, C2 und L, um die gewünschte Impedanzanpassung zu erzielen, wobei jede Kombination ein anderes Q aufweist.

PI-Filter werden häufiger in Anwendungen verwendet, in denen unterschiedliche Lastwiderstände oder sogar komplexe Impedanzen wie HF-Leistungsverstärker eingestellt werden müssen, da ihr Eingangs- / Ausgangsimpedanzverhältnis (r _i) durch das Verhältnis der quadratischen Kondensatoren bestimmt wird Beim Einstellen auf eine andere Impedanz kann die Spule gleich bleiben, während nur Kondensatoren abgestimmt werden. C1 und C2 in HF-Leistungsverstärkern sind häufig variabel.

(C1 / C2) ² = r _i

Wenn wir wollen, einen Breitbandfilter wir Q verwenden ein wenig über Q _krit, wenn wir ein schärferes Filter wollen, wie am Ausgang eines Power - RF - Verstärker wir Q verwenden, die viel größer als Q ist _krit, aber unter 10, wie die Je höher der Q des Filters, desto geringer der Wirkungsgrad. Das typische Q von PI-Filtern in HF-Ausgangsstufen beträgt 7, dieser Wert kann jedoch variieren.

Q _krit = √ (R _A / R _B -1)

Wobei: R _A der höhere der beiden Widerstände (Quelle oder Last) und R _B der kleinere Widerstand ist. Im Allgemeinen kann das PI-Filter mit höherem Q betrachtet werden, wobei die Impedanzanpassung als paralleler Resonanzkreis ignoriert wird, der aus einer Spule L und einem Kondensator C mit einer Kapazität von:

C = (C1 · C2) / (C1 + C2)

Dieser Resonanzkreis sollte bei der Frequenz schwingen, mit der das Filter verwendet wird.

Um die Werte einer PI-Filterkomponente zu berechnen, benötigen wir vier Dinge: Ausgangswiderstand der Quelle, Widerstand der Last, Betriebsfrequenz und Q.

Zum Beispiel müssen wir eine 8Ω-Quelle an eine 75Ω-Last mit einem Q von 7 anpassen.

R _A ist der höhere der beiden Widerstände (Quelle oder Last) und R _B ist der kleinere Widerstand.

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

Wir verwenden einen Reaktanzrechner, um eine Kapazität mit einer Reaktanz von 10,7 Ω bei 7 MHz zu bestimmen

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

Wir verwenden einen Reaktanzrechner, um eine Induktivität mit einer Reaktanz von 14,84 Ω bei 7 MHz zu bestimmen

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

Wir verwenden einen Reaktanzrechner, um eine Kapazität mit einer Reaktanz von 3,59 Ω bei 7 MHz zu bestimmen

C2 = 6,3 nF

Wie beim L-Filter müssen wir unser Ausgangsgerät von C1 subtrahieren, wenn es eine Ausgangskapazität hat (Plattenkathode für Röhren, Kollektor-Emitter für BJT, oft nur Ausgangskapazität für MOSFETs, Röhren und BJTs), da diese Kapazität ist parallel dazu verbunden. Wenn wir einen IRF510-Transistor mit einer Ausgangskapazität von 180 pF als Leistungsausgabegerät verwenden würden, müsste C1 6,3 nF-0,18 nF betragen, also 6,17 nF. Wenn wir mehrere Transistoren parallel verwenden würden, um eine höhere Ausgangsleistung zu erhalten, würden sich die Kapazitäten summieren.

Für 3 IRF510 wäre es 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, also 5,76 nF anstelle von 6,3 nF.

Andere LC-Schaltungen, die zur Impedanzanpassung verwendet werden

Es gibt zahlreiche verschiedene LC-Schaltungen, die zum Anpassen von Impedanzen verwendet werden, wie z. B. T-Filter, spezielle Anpassungsschaltungen für Transistor-Leistungsverstärker oder PI-L-Filter (PI-Filter mit zusätzlicher Induktivität).