V prejšnjem članku smo razpravljali o osnovah ujemanja impedance in kako uporabljati transformator za ujemanje impedance. Poleg uporabe transformatorja za ujemanje impedance lahko oblikovalci uporabljajo tudi vezja filtra impedance na izhodu RF ojačevalnika, ki se lahko podvoji kot filtrirno vezje in tudi kot vezje za ujemanje impedance. Obstaja veliko vrst filtrirnih vezij, ki jih je mogoče uporabiti za ujemanje impedance, najpogostejša pa so obravnavana v tem članku.
LC filter ujemanje
Za ujemanje impedanc in zagotavljanje filtriranja je mogoče uporabiti različne LC filtre. Filtriranje je še posebej pomembno na izhodu močnostnih RF ojačevalnikov, ker ustvarjajo veliko neželenih harmonikov, ki jih je treba filtrirati, preden jih antena odda, ker lahko povzročijo motnje in oddajajo na frekvencah, ki niso tiste, ki jih je postaja odobrila za prenos. na je lahko nezakonita. Pokrili bomo nizkoprepustni LC filtriker radijski ojačevalniki ustvarjajo samo harmonike, harmonski signali pa so vedno celota večkratnikov osnovnih signalov, zato imajo vedno višje frekvence kot osnovni signal - zato uporabljamo nizkofrekvenčne filtre, medtem ko dobijo želeni signal znebiti harmonike. Pri načrtovanju LC filtrov bomo namesto impedance govorili o odpornosti vira in odpornosti proti obremenitvi, kajti če ima obremenitev ali vir nekaj zaporednih ali vzporednih induktivnosti ali kapacitivnosti in je zato nerezistentna impedanca izračuni veliko bolj zapleteni. V tem primeru je najbolje uporabiti filter PI ali kalkulator L filtra. V večini primerov, kot so integrirana vezja, pravilno izdelane in nastavljene antene, TV in radijski sprejemniki, oddajniki itd. Izhodna / vhodna impedanca = upor.
Faktor Q
Vsak LC filter ima parameter, znan kot Q (faktor kakovosti), pri nizko- in visokofrekvenčnih filtrih pa določa strmost frekvenčnega odziva. Filter z nizkim Q bo zelo širokopasoven in ne bo tako dobro filtriral neželenih frekvenc kot filter z visokim Q. Visoko Q-filter bo filtriral neželene frekvence, vendar bo imel resonančni vrh, zato bo deloval tudi kot pasovni filter. Visok faktor Q včasih zmanjša učinkovitost.
L filtri
L filtri so najpreprostejša oblika LC filtrov. Sestavljeni so iz kondenzatorja in induktorja, ki sta povezana na način, podoben tistemu v RC filtrih, pri čemer induktor nadomesti upor. Uporabljajo se lahko za ujemanje impedance, ki je višja ali nižja od impedance izvora. V vsakem L filtru je le ena kombinacija L in C, ki se lahko ujema z dano vhodno impedanco in dano izhodno impedanco.
Na primer, da ujemanje obremenitve 50 Ω z obremenitvijo 100 Ω pri 14MHz potrebujemo induktor 560nH s kondenzatorjem 114pF - to je edina kombinacija, ki lahko pri tej frekvenci ujema s temi upori. Njihov faktor Q in s tem, kako dober je filter enak
√ ((R A / R B) -1) = Q
Kjer je R A večja impedanca, je RL manjša impedanca, Q pa faktor Q z ustrezno priključeno obremenitvijo.
V našem primeru bo naložen Q enak √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Če bi želeli več ali manj filtriranja (drugačen Q), bi potrebovali PI filter, kjer je Q popolnoma nastavljiv in imate lahko različne kombinacije L in C, s katerimi lahko dobite zahtevano ujemanje pri določeni frekvenci, vsaka z drugačnim Q.
Za izračun vrednosti komponent filtra L potrebujemo tri stvari: izhodno upornost vira, odpornost obremenitve in pogostost delovanja.
Na primer, izhodna upornost vira bo 3000 Ω, obremenitev 50 Ω in frekvenca 14 MHz. Ker je naša upornost vira večja od odpornosti proti obremenitvi, bomo uporabili filter "b"
Najprej moramo izračunati reaktanco obeh komponent L filtra, nato lahko izračunamo induktivnost in kapacitivnost na podlagi reaktancije in pogostosti uporabe:
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
S pomočjo kalkulatorja reaktanca določimo induktivnost, ki ima pri 14MHz reaktanco 384,1 Ω
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
S pomočjo kalkulatorja reaktanca določimo induktivnost, ki ima pri 14MHz reaktanco 390,6 Ω
C = 29,1 pF
Kot lahko vidite, je frekvenčni odziv filtra nizkofrekvenčni z resonančnim vrhom pri 14MHz, resonančni vrh povzroča filter z visokim Q, če je bil Q nižji, filter bi bil brez vrha nizkopasovni. Če bi želeli drugačen Q, zato bi bil filter bolj širokopasovni, bi morali uporabiti PI filter, ker je Q L filtra odvisen od odpornosti vira in obremenitve. Če to vezje uporabljamo za ujemanje izhodne impedance cevi ali tranzistorja, bi morali iz kondenzatorja filtra odšteti izhod na zemeljsko kapacitivnost, ker sta vzporedni. Če uporabljamo tranzistor z kapacitivnostjo kolektorja-oddajnika (imenovano tudi izhodna kapacitivnost) 10pF, mora biti kapacitivnost C namesto 29,1 pF 19,1 pF.
PI filtri
PI filter je zelo vsestransko ujemajoče se vezje, sestavljen je iz 3 reaktivnih elementov, običajno dveh kondenzatorjev in enega induktorja. Za razliko od filtra L, kjer je le ena kombinacija L in C dala zahtevano ujemanje impedance pri dani frekvenci, filter PI omogoča več kombinacij C1, C2 in L, da se doseže želeno ujemanje impedance, pri čemer ima vsaka kombinacija drugačen Q.
PI filtri se pogosteje uporabljajo v aplikacijah, kjer je treba prilagoditi različne odpornosti na obremenitev ali celo zapletene impedance, kot so RF ojačevalniki moči, ker je njihovo razmerje med vhodno in izhodno impedanco (r i) določeno z razmerjem kondenzatorjev na kvadrat, torej pri nastavitvi na drugo impedanco tuljava lahko ostane enaka, medtem ko so nastavljeni samo kondenzatorji. C1 in C2 v RF ojačevalnikih sta pogosto spremenljiva.
(C1 / C2) ² = r i
Kadar želimo bolj širokopasovni filter, uporabimo Q malo nad Q kritom, kadar želimo ostrejši filter, na primer na izhodu RF ojačevalnika, uporabimo Q, ki je veliko večji od Q krit, vendar pod 10, kot višji kot je filter Q, manjša je učinkovitost. Tipični Q PI filtrov v RF izhodnih stopnjah je 7, vendar se ta vrednost lahko razlikuje.
Q kriti = √ (R A / R B -1)
Kje je: R A največji od dveh uporov (vira ali obremenitve), R B pa manjši upor. Na splošno lahko štejemo PI filter pri višjem Q, pri čemer ignoriramo ujemanje impedance kot vzporedno resonančno vezje iz tuljave L in kondenzatorja C s kapacitivnostjo, ki je enaka:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
To resonančno vezje naj odzvanja s frekvenco, ki jo bo uporabil filter.
Za izračun vrednosti komponent filtra PI potrebujemo štiri stvari: izhodna upornost vira, odpornost obremenitve, pogostost delovanja in Q.
Na primer, z 8Ω virom moramo povezati 75Ω obremenitve s Q 7.
R A je večji od dveh (izvornih ali obremenitvenih) uporov, R B pa manjši upor.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Z kalkulatorjem reaktancije določimo kapacitivnost, ki ima pri 7 MHz reaktanco 10,7 Ω
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
Z izračunom reaktanca določimo induktivnost, ki ima pri 7 MHz reaktanco 14,84 Ω
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
Z kalkulatorjem reaktancije določimo kapacitivnost, ki ima pri 7 MHz reaktanco 3,59 Ω
C2 = 6,3 nF
Tako kot pri filtru L, če ima naša izhodna naprava kakršno koli izhodno kapacitivnost (plošča-katoda za cevi, zbiralnik do oddajnika za BJT, pogosto samo izhodna kapacitivnost za MOSFET-je, cevi in BJT-je), jo moramo odšteti od C1, ker je ta kapacitivnost povezani vzporedno z njim. Če bi uporabili tranzistor IRF510 z izhodno kapacitivnostjo 180 pF, bi morala biti naprava za izhodno moč C1 6,3 nF-0,18 nF, torej 6,17 nF. Če bi vzporedno uporabljali več tranzistorjev, da bi dobili večjo izhodno moč, bi kapacitivnosti seštevale.
Za 3 IRF510 bi bilo 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, torej 5,76 nF namesto 6,3 nF.
Druga LC vezja, ki se uporabljajo za ujemanje impedance
Obstajajo številna različna LC vezja, ki se uporabljajo za ujemanje impedanc, kot so T filtri, posebna ujemajoča vezja za tranzistorske ojačevalnike ali PI-L filtri (PI filter z dodatnim induktorjem).