阻抗匹配滤波器电路设计——LC、L和PI滤波器

来源:米乐直播安卓版    发布时间:2024-07-11 01:47:57
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  除了使用阻抗匹配变压器外,设计人员还可以在的输出端使用阻抗滤波器电路,它可以兼作滤波电路和阻抗匹配电路。有多种类型的滤波器电路可用于阻抗匹配,本文讨论了最常见的那些。

  可以使用各种LC 滤波器来匹配阻抗并提供滤波。滤波对功率 RF 放大器的输出特别的重要,因为它们会产生大量不需要的谐波,这些谐波在被天线传输之前必须被过滤掉,因为它们会造成干扰,并且会在电台获准传输的频率以外的频率上传输on 可能是非法的。我们将介绍低通 LC 滤波器,因为无线电功率放大器只产生谐波,而谐波信号始终是基本信号的整数倍,因此它们的频率总是高于基本信号——这就是个人会使用低通滤波器的原因,他们在消除谐波的同时让有用的信号通过。在设计 LC 滤波器时,我们将讨论源电阻和负载电阻而不是阻抗,因为如果负载或源具有一些串联或并联的电感或电容,则非电阻阻抗的计算会变得更复杂。在这种情况下,最好使用PI滤波器或 L 滤波器计算器。在大多数情况下,例如集成电路、正确制作和调谐的天线、电视和无线电接收器、发射器等,输出/输入阻抗 = 电阻。

  每个 LC 滤波器都有一个称为Q(质量)因子的参数,在低通和高通滤波器中,它决定了频率响应的陡度。低 Q 滤波器的带宽非常宽,不会像高 Q 滤波器那样滤除不需要的频率。高 Q 值滤波器会滤除不需要的频率,但它会有一个共振峰,因此它也可以用作带通滤波器。高 Q 因数有时会降低效率。

  L 滤波器是 LC 滤波器的最简单形式。它们由一个电容器和一个电感器组成,连接方式类似于 RC 滤波器中的连接方式,电感器代替了电阻器。它们可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每个 L 滤波器中,只有一种 L 和 C 的组合可以将给定的输入阻抗与给定的输出阻抗相匹配。

  例如,要在 14MHz 时将 50 Ω 负载匹配到 100 Ω 负载,我们应该一个 560nH 电感器和一个 114pF 电容器——这是唯一可以在该频率下与这些电阻进行匹配的组合。他们的 Q 因子,因此滤波器有多好等于

  其中 R A是较大的阻抗,RL 是较小的阻抗,Q 是连接适当负载时的品质因数。

  在我们的例子中,加载的 Q 将等于 √((100/50)-1) = √(2-1) = √1 = 1。如果我们想要更多或更少的过滤(不同的 Q),我们应该PI 滤波器,其中 Q 是完全可调的,您可以有不同的 L 和 C 组合,可以在给定频率下为您提供所需的匹配,每个组合都有不同的 Q。

  要计算 L 滤波器元件的值,我们应该三样东西:电源的输出电阻、负载电阻和工作频率。

  例如,源的输出电阻为 3000 Ω,负载电阻为 50 Ω,频率为 14 MHz。由于我们的源电阻大于负载电阻,我们将使用“b”滤波器

  首先,我们应该计算L滤波器两个元件的电抗,然后我们大家可以根据电抗和使用频率计算电感和电容:

  我们使用电抗计算器来确定在 14MHz 时具有 384.1 Ω 电抗的电感

  我们使用电抗计算器来确定在 14MHz 时具有 390.6 Ω 电抗的电感

  正如您所看到的,滤波器的频率响应是低通的,在 14MHz 处有一个谐振峰值,谐振峰值是由具有高 Q 值的滤波器引起的,如果 Q 值较低,则滤波器将是没有峰值的低通滤波器。如果我们想要一个不同的 Q,那么滤波器会更宽,我们应该使用 PI 滤波器,因为 L 滤波器的 Q 取决于源电阻和负载电阻。如果个人会使用此电路来匹配电子管晶体管的输出阻抗,则需要从滤波器的电容器中减去输出对地电容,因为它们是并联的。如果个人会使用集电极-发射极电容(也称为输出电容)为 10pF 的晶体管,则 C 的电容应为 19.1pF 而不是 29.1pF。

  PI滤波器是一种用途十分普遍的匹配电路,它由3个电抗元件组成,通常是两个电容和一个电感。与 L 滤波器不同,其中只有 L 和 C 的一种组合在给定频率下提供所需的阻抗匹配,PI 滤波器允许 C1、C2 和 L 的多种组合来实现所需的阻抗匹配,每种组合具有不一样的 Q。

  PI 滤波器更常用于需要调谐到不同负载电阻甚至复阻抗的应用中,例如,因为它们的输入输出阻抗比 (r i ) 由电容器的平方比决定,因此当调谐到不同的阻抗时,线圈能保持不变,而只调谐电容器。射频功率放大器中的 C1 和 C2 通常是可变的。

  当我们想要一个更宽的滤波器时,个人会使用 Q 略高于 Q crit当我们想要一个更锐利的滤波器时,例如在 RF 功率放大器的输出端,个人会使用比 Q crit大得多但低于 10 的 Q,因为过滤器的 Q 越高,效率越低。RF 输出级中 PI 滤波器的典型 Q 值是 7,但这个值可能会有所不同。

  其中:R A是两个(源或负载)电阻中较高的一个,R B是较小的电阻。通常,可以将较高 Q 的PI 滤波器视为由线圈 L 和电容 C 构成的并联谐振电路,忽略阻抗匹配,电容等于:

  要计算 PI 滤波器组件的值,我们应该四样东西:源的输出电阻、负载电阻、工作频率和 Q。

  我们使用电抗计算器来确定在 7 MHz 时具有 10.7 Ω 电抗的电容

  与 L 滤波器一样,如果我们的输出设备有任何输出电容(管的板阴极,BJT 的集电极到发射极,通常只是MOSFET、管和 BJT 的输出电容)我们应该从 C1 中减去它,因为该电容是并联连接到它。如果个人会使用具有 180 pF 输出电容的 IRF510 晶体管作为功率输出设备,C1 需要为 6.3 nF-0.18 nF,因此为 6.17 nF。如果我们并联使用多个晶体管以获得更高的输出功率,则电容将相加。

  有许多不同的 LC 电路用于匹配阻抗,例如T 滤波器,晶体管功率放大器的特殊匹配电路,或 PI-L 滤波器(带有附加电感器的 PI 滤波器)。

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