Az előző cikkben megvitattuk az impedanciaillesztés alapjait és az impedanciaillesztési transzformátor használatát. Az impedanciaillesztéses transzformátoron kívül a tervezők impedanciaszűrő áramköröket is használhatnak egy RF-erősítő kimenetén, amelyek kétszeresére növelhetők szűrőáramkörként és impedanciaegyeztetési áramkörként is. Sokféle szűrőáramkör használható az impedancia-egyeztetéshez, a leggyakoribbakat ez a cikk tárgyalja.
LC szűrő egyezés
Különböző LC szűrők használhatók az impedanciák egyeztetésére és a szűrés biztosítására. A szűrés különösen fontos az RF erősítők kimenetén, mert sok nem kívánt harmonikusat generálnak, amelyeket szűrni kell, mielőtt az antenna továbbítaná őket, mert interferenciát okozhatnak és más frekvenciákon is sugározhatnak, mint amelyekre az állomás engedélyezett jogellenes lehet. Az aluláteresztő LC szűrőket fedjük lemivel a rádióerősítők csak harmonikusokat generálnak, és a harmonikus jelek mindig az alapjelek többszörösei, tehát mindig magasabb frekvenciájúak, mint az alapjel - ezért használunk aluláteresztő szűrőket, így átengedik a kívánt jelet, miközben megszabadulni a harmonikusoktól. Az LC szűrők megtervezésekor az impedancia helyett a forrásellenállásról és a terhelési ellenállásról fogunk beszélni, mert ha a terhelésnek vagy a forrásnak van valamilyen sorozata vagy párhuzamos induktivitása vagy kapacitása, és ezért a nem rezisztens impedancia, akkor a számítások sokkal összetettebbé válnak. Ebben az esetben a legjobb PI szűrőt vagy L szűrő számológépet használni. A legtöbb esetben, például integrált áramkörök, megfelelően gyártott és hangolt antennák, TV- és rádióvevők, adók stb. Kimeneti / bemeneti impedancia = ellenállás.
„Q” tényező
Minden LC szűrőnek van egy Q (minőségi) tényezőként ismert paramétere, az alul- és a felüláteresztő szűrőknél ez határozza meg a frekvenciaválasz meredekségét. Az alacsony Q szűrő nagyon szélessávú lesz, és nem fogja kiszűrni a nem kívánt frekvenciákat, mint a magas Q szűrő. A magas Q szűrő kiszűri a nem kívánt frekvenciákat, de lesz rezonáns csúcsa, így sáváteresztő szűrőként is működik. A magas Q tényező néha csökkenti a hatékonyságot.
L szűrők
Az L szűrők az LC szűrők legegyszerűbb formája. Kondenzátorból és induktivitásból állnak, amelyek hasonló módon kapcsolódnak az RC szűrőkhöz, és az induktor helyettesíti az ellenállást. Használhatók a impedancia magasabb vagy alacsonyabb impedanciájához, mint a forrás impedanciája. Minden L szűrőben csak egy olyan L és C kombináció létezik, amely egy adott bemeneti impedanciát illeszthet az adott kimeneti impedanciához.
Például ahhoz, hogy az 50 Ω-os terhelést 100 MHz-es terheléshez hozzárendeljük 14 MHz-es frekvencián, szükségünk van egy 560nH induktivitásra, 114pF kondenzátorral - ez az egyetlen kombináció, amely képes ezen a frekvencián illeszteni ezeket az ellenállásokat. Q tényezőjük, és ezért a szűrő mennyire jó
√ ((R A / R B) -1) = Q
Ahol R A jelentése a nagyobb impedancia, RL jelentése a kisebb impedancia, és Q jelentése a Q tényező a megfelelő terhelés csatlakoztatva.
Esetünkben a betöltött Q egyenlő lesz √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Ha többé-kevésbé szűrést akarunk (különböző Q), akkor a PI szűrő, ahol a Q teljesen állítható, és különböző L és C kombinációkkal rendelkezhet, amelyek adott frekvencián megadják a szükséges egyezést, mindegyiknek más a Q-ja.
Az L szűrőkomponensek értékének kiszámításához három dologra van szükségünk: a forrás kimeneti ellenállására, a terhelés ellenállására és a működés gyakoriságára.
Például a forrás kimeneti ellenállása 3000 Ω, a terhelési ellenállás 50 Ω, a frekvencia pedig 14 MHz. Mivel a forrás ellenállásunk nagyobb, mint a terhelési ellenállás, a „b” szűrőt fogjuk használni
Először ki kell számolnunk egy L szűrő két összetevőjének reaktanciáját, majd kiszámíthatjuk az induktivitást és a kapacitást a reaktancia és a használati gyakoriság alapján:
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
Reaktivitás-kalkulátor segítségével meghatározzuk azt az induktivitást, amelynek 384,1 Ω-os reaktanciája van 14 MHz-en
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
Reaktivitás-kalkulátor segítségével meghatározzuk azt az induktivitást, amelynek 14 MHz-es frekvenciája 390,6 Ω
C = 29,1 pF
Amint láthatja, a szűrő frekvenciaválasza aluláteresztő, 14 MHz-es rezonáns csúccsal, a rezonáns csúcsot az okozza, hogy a szűrőnek magas a Q-ja, ha a Q alacsonyabb lenne, a szűrő csúcs nélkül alacsony áteresztő lenne. Ha egy másik Q-t akarunk, így a szűrő szélesebb sávú lenne, akkor PI szűrőt kell használnunk, mert az L szűrő Q-ja a forrás ellenállásától és a terhelési ellenállástól függ. Ha ezt az áramkört használjuk egy cső vagy tranzisztor kimeneti impedanciájának egyeztetésére, akkor a kimenetet le kell vonni a földi kapacitásról a szűrő kondenzátorából, mert párhuzamosak. Ha olyan tranzisztort használunk, amelynek kollektor-emitter kapacitása (más néven kimeneti kapacitása) 10 pF, akkor a C kapacitásának 19,1 pF-nek kell lennie 29,1 pF helyett.
PI szűrők
A PI szűrő nagyon sokoldalú illesztési áramkör, 3 reaktív elemből áll, általában két kondenzátorból és egy induktivitásból. Az L szűrővel ellentétben, ahol csak L és C kombinációja adta meg a szükséges impedanciaillesztést egy adott frekvencián, a PI szűrő lehetővé teszi C1, C2 és L több kombinációját a kívánt impedanciaillesztés eléréséhez, mindegyik kombinációnak különböző Q-ja van.
A PI szűrőket gyakrabban alkalmazzák olyan alkalmazásokban, ahol szükség van különböző terhelési ellenállásokra vagy akár összetett impedanciákra való hangolásra, például RF teljesítményerősítőkre, mivel a bemenet és a kimeneti impedancia arányát (r i) a kondenzátorok négyzetaránya határozza meg, tehát ha más impedanciára hangolunk, akkor a tekercs ugyanaz maradhat, miközben csak a kondenzátorokat hangolják. A C1 és C2 az RF erősítőkben gyakran változó.
(C1 / C2) 2 = r i
Ha szélesebb sávú szűrőt akarunk, akkor a Q-t kissé a Q- kritériumok felett használjuk, ha élesebb szűrőt akarunk, például egy RF teljesítményerősítő kimeneténél Q-t használunk, amely sokkal nagyobb, mint a Q- kritérium, de 10 alatt van minél magasabb a szűrő Q-ja, annál alacsonyabb a hatásfok. A PI szűrők Q-ja az RF kimeneti szakaszokban jellemzően 7, de ez az érték változhat.
Q krit = √ (R A / R B -1)
Ahol: R A a két (forrás vagy terhelés) ellenállás közül a nagyobb, és R B a kisebb ellenállás. Általánosságban elmondható, hogy a magasabb Q hőmérsékleten lévő PI szűrő figyelembe veheti az impedanciaillesztést, mint párhuzamos rezonancia áramkört, amely egy L tekercsből és egy C kondenzátorból áll, amelynek kapacitása egyenlő:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Ennek a rezonáns áramkörnek azon a frekvencián kell rezonálnia, amelyet a szűrő használni fog.
A PI szűrő alkatrészeinek értékeinek kiszámításához négy dologra van szükségünk: a forrás kimeneti ellenállására, a terhelés ellenállására, a működés gyakoriságára és a Q-ra.
Például össze kell illesztenünk egy 8Ω forrást egy 75Ω terhelésre, amelynek Q értéke 7.
R A a két (forrás vagy terhelés) ellenállás közül a nagyobb, R B pedig a kisebb ellenállás.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Reaktivitás-kalkulátor segítségével meghatározzuk azt a kapacitást, amelynek 10 MHz-es reaktanciája van 7 MHz-en
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
Reaktivitás-kalkulátor segítségével meghatározzuk azt az induktivitást, amelynek 14,84 Ω-os reaktanciája van 7 MHz-en
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
Reaktivitás-kalkulátor segítségével meghatározzuk a kapacitást, amelynek 3,5 MHz-es reaktanciája van 7 MHz-en
C2 = 6,3 nF
Az L szűrőhöz hasonlóan, ha a kimeneti eszközünknek van bármilyen kimeneti kapacitása (lemez-katód a csövekhez, a kollektor az emitterhez a BJT-hez, gyakran csak a kimeneti kapacitás a MOSFET-ekhez, csövekhez és BJT-khez), akkor le kell vonnunk a C1-ből, mert ez a kapacitás párhuzamosan kapcsolódik hozzá. Ha egy 180 pF kimeneti kapacitású IRF510 tranzisztort használunk, a C1 teljesítménykimeneti eszköznek 6,3 nF-0,18 nF-nak kell lennie, tehát 6,17 nF-nak. Ha több tranzisztort használunk párhuzamosan a nagyobb kimenő teljesítmény eléréséhez, akkor a kapacitások összeadódnának.
3 IRF510 esetén 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, tehát 5,76 nF 6,3 nF helyett.
Egyéb LC áramkörök az impedancia egyeztetésére szolgálnak
Számos különféle LC áramkör létezik az impedanciák egyeztetésére, például T szűrők, speciális illesztő áramkörök a tranzisztoros erősítőkhöz vagy PI-L szűrők (PI szűrő további induktivitással).