- Coincidència de filtres LC
- L filtres
- Filtres PI
- Altres circuits LC utilitzats per a la concordança d’impedància
A l’article anterior, vam parlar dels conceptes bàsics de la concordança d’impedància i de com utilitzar un transformador de concordança d’impedància. A part d’utilitzar un transformador d’adaptació d’impedància, els dissenyadors també poden utilitzar circuits de filtre d’impedància a la sortida d’un amplificador de RF que es poden duplicar com a circuit de filtratge i també com a circuit d’adaptació d’impedància. Hi ha molts tipus de circuits de filtre que es poden utilitzar per a la concordança d’impedància, els més comuns es discuteixen en aquest article.
Coincidència de filtres LC
Es poden utilitzar diversos filtres LC per combinar impedàncies i proporcionar filtratge. El filtratge és especialment important a la sortida dels amplificadors de RF de potència perquè generen molts harmònics no desitjats que han de ser filtrats abans de ser transmesos per l’antena perquè poden causar interferències i transmetre en freqüències diferents de les que l’emissora està aprovada per transmetre. activat pot ser il·legal. Anem a cobrir filtres LC de pas baixperquè els amplificadors de potència de ràdio només generen harmònics i els senyals harmònics són sempre el múltiple dels senyals de base, de manera que sempre tenen freqüències més altes que el senyal de base; per això fem servir filtres de pas baix, deixant passar el senyal desitjat mentre reben desfer-se dels harmònics. A l’hora de dissenyar filtres LC, parlarem de la resistència de la font i la resistència de la càrrega en lloc de la impedància, perquè si la càrrega o la font té una sèrie d’inductància o capacitat paral·lela i, per tant, la impedància no resistiva, els càlculs són molt més complexos. En aquest cas, és millor utilitzar un filtre PI o una calculadora de filtre L. En la majoria dels casos, com ara circuits integrats, antenes adequadament fabricades i sintonitzades, receptors de TV i ràdio, transmissors, etc. impedància de sortida / entrada = resistència.
Factor "Q"
Cada filtre LC té un paràmetre conegut com a factor Q (qualitat), en els filtres de pas baix i alt determina el nivell de pendent de la resposta en freqüència. Un filtre Q baix serà de banda ampla i no filtrarà les freqüències no desitjades tan bones com un filtre Q alt. Un filtre Q alt filtrarà les freqüències no desitjades, però tindrà un pic ressonant, de manera que també actuarà com a filtre de pas de banda. De vegades, un factor d'alta Q redueix l'eficiència.
L filtres
Els filtres L són la forma més simple de filtres LC. Consisteixen en un condensador i un inductor, connectats de manera similar a la dels filtres RC, amb l’inductor substituint la resistència. Es poden utilitzar per fer coincidir la impedància més alta o inferior a la impedància de la font. A cada filtre L, només hi ha una combinació de L i C que poden coincidir amb una impedància d’entrada determinada i una impedància de sortida determinada.
Per exemple, per fer coincidir una càrrega de 50 Ω amb una càrrega de 100 Ω a 14 MHz, necessitem un inductor de 560 nH amb un condensador de 114 pF, aquesta és l’única combinació que pot fer coincidir aquesta freqüència amb aquestes resistències. El seu factor Q i, per tant, la qualitat del filtre
√ ((R A / R B) -1) = Q
Quan R A és la impedància més gran, RL és la impedància més petita i Q és el factor Q amb la càrrega adequada connectada.
En el nostre cas, la Q carregada serà igual a √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Si volguéssim filtrar més o menys (diferent Q), necessitaríem el Filtre PI, on Q és totalment ajustable i podeu tenir diferents combinacions de L i C que us poden proporcionar la coincidència necessària a una freqüència determinada, cadascun amb una Q diferent.
Per calcular els valors dels components del filtre L, necessitem tres coses: la resistència de sortida de la font, la resistència de la càrrega i la freqüència de funcionament.
Per exemple, la resistència de sortida de la font serà de 3000 Ω, la resistència de càrrega serà de 50 Ω i la freqüència serà de 14 MHz. Com que la nostra resistència font és més gran que la resistència a la càrrega, utilitzarem el filtre "b"
En primer lloc, hem de calcular la reactància dels dos components d’un filtre L, després podem calcular la inductància i la capacitat en funció de la reactància i la freqüència d’ús:
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
Utilitzem una calculadora de reactància per determinar una inductància que té una reactància de 384,1 Ω a 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
Utilitzem una calculadora de reactància per determinar una inductància que té una reactància de 390,6 Ω a 14 MHz
C = 29,1 pF
Com podeu veure, la resposta de freqüència del filtre és un pas baix amb un pic ressonant a 14 MHz, el pic ressonant és causat pel fet que el filtre tingui una Q alta si la Q fos inferior, el filtre seria pas baix sense un pic. Si volguéssim una Q diferent, de manera que el filtre fos més de banda ampla, hauríem d’utilitzar un filtre PI perquè la Q del filtre L depèn de la resistència de la font i de la resistència a la càrrega. Si fem servir aquest circuit per fer coincidir la impedància de sortida d’un tub o d’un transistor, hauríem de restar la sortida a la capacitat de terra del condensador del filtre perquè estan en paral·lel. Si fem servir un transistor amb una capacitat de col·lector-emissor (també coneguda com a capacitat de sortida) de 10pF, la capacitat de C hauria de ser de 19,1 pF en lloc de 29,1 pF.
Filtres PI
El filtre PI és un circuit d’adaptació molt versàtil, que consta de 3 elements reactius, normalment dos condensadors i un inductor. A diferència del filtre L, on només una combinació de L i C va donar la impedància necessària a una freqüència determinada, el filtre PI permet múltiples combinacions de C1, C2 i L per aconseguir la correspondència d’impedància desitjada, cada combinació té una Q diferent.
Els filtres PI s’utilitzen més sovint en aplicacions, on es necessita sintonitzar diferents resistències de càrrega o fins i tot impedàncies complexes, com ara amplificadors de potència RF perquè la seva relació d’impedància d’entrada a sortida (r i) està determinada per la proporció de condensadors al quadrat, de manera que en sintonitzar amb una impedància diferent, la bobina pot mantenir-se igual, mentre que només es sintonitzen condensadors. C1 i C2 en els amplificadors de potència RF sovint són variables.
(C1 / C2) ² = r i
Quan volem un filtre de banda ampla més gran, fem servir Q una mica per sobre de Q crit quan volem un filtre més nítid, com per exemple, a la sortida d’un amplificador de potència de RF, fem servir Q que és molt més gran que Q crit, però per sota de 10, ja que més alta és la Q del filtre, menor serà l'eficiència. La Q típica dels filtres PI en les etapes de sortida de RF és de 7, però aquest valor pot variar.
Q crit = √ (R A / R B -1)
On: R A és la més alta de les dues resistències (font o càrrega) i R B és la resistència menor. En general, es pot considerar el filtre PI a Q més alt, ignorant la coincidència d’impedància com un circuit ressonant paral·lel fet d’una bobina L i un condensador C amb una capacitat igual a:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Aquest circuit ressonant hauria de ressonar a la freqüència en què s’utilitzarà el filtre.
Per calcular els valors dels components d’un filtre PI necessitem quatre coses: resistència de sortida de la font, resistència de la càrrega, freqüència de funcionament i Q.
Per exemple, hem de fer coincidir una font de 8Ω amb una càrrega de 75Ω amb una Q de 7.
R A és la més alta de les dues resistències (font o càrrega) i R B és la resistència menor.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Utilitzem una calculadora de reactància per determinar una capacitat que té una reactància de 10,7 Ω a 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
Utilitzem una calculadora de reactància per determinar una inductància que té una reactància de 14,84 Ω a 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
Utilitzem una calculadora de reactància per determinar una capacitat que té una reactància de 3,59 Ω a 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Igual que amb el filtre L, si el nostre dispositiu de sortida té alguna capacitat de sortida (placa de càtode per a tubs, col·lector a emissor per a BJT, sovint només capacitat de sortida per a MOSFET, tubs i BJT), hem de restar-la de C1 perquè connectat en paral·lel a ell. Si utilitzéssim un transistor IRF510, amb una capacitat de sortida de 180 pF, com a dispositiu de sortida de potència C1 hauria de ser 6,3 nF-0,18 nF, per tant 6,17 nF. Si utilitzéssim diversos transistors en paral·lel per obtenir una potència de sortida superior, les capacitats serien sumades.
Per a 3 IRF510 seria 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, de manera que 5,76 nF en lloc de 6,3 nF.
Altres circuits LC utilitzats per a la concordança d’impedància
Hi ha nombrosos circuits LC diferents que s’utilitzen per combinar impedàncies, com ara filtres T, circuits especials de correspondència per a amplificadors de potència de transistors o filtres PI-L (filtre PI amb un inductor addicional).
