- Corrispondenza filtri LC
- Filtri L.
- Filtri PI
- Altri circuiti LC utilizzati per l'adattamento dell'impedenza
Nell'articolo precedente, abbiamo discusso le basi dell'adattamento di impedenza e come utilizzare un trasformatore di adattamento di impedenza. Oltre a utilizzare un trasformatore di adattamento dell'impedenza, i progettisti possono anche utilizzare circuiti di filtro dell'impedenza all'uscita di un amplificatore RF che può raddoppiare come circuito di filtraggio e anche come circuito di adattamento dell'impedenza. Esistono molti tipi di circuiti di filtro che possono essere utilizzati per l'adattamento dell'impedenza, i più comuni sono discussi in questo articolo.
Corrispondenza filtri LC
Vari filtri LC possono essere utilizzati per abbinare le impedenze e fornire il filtraggio. Il filtraggio è particolarmente importante sull'uscita degli amplificatori RF di potenza perché generano molte armoniche indesiderate che devono essere filtrate prima di essere trasmesse dall'antenna perché possono causare interferenze e trasmettere su frequenze diverse da quelle che la stazione è autorizzata a trasmettere può essere illegale. Ci occuperemo di filtri LC passa-bassoperché gli amplificatori di potenza radio generano solo armoniche, e i segnali armonici sono sempre l'intero multiplo dei segnali di base, quindi hanno sempre frequenze più alte del segnale di base - questo è il motivo per cui usiamo filtri passa-basso, lasciano passare il segnale desiderato mentre arrivano sbarazzarsi di armoniche. Quando si progettano i filtri LC, parleremo di resistenza della sorgente e resistenza del carico invece di impedenza, perché se il carico o la sorgente ha qualche induttanza o capacità in serie o in parallelo, e quindi impedenza non resistiva, i calcoli diventano molto più complessi. In questo caso, è meglio usare un filtro PI o un calcolatore del filtro L. Nella maggior parte dei casi, come circuiti integrati, antenne costruite e sintonizzate correttamente, ricevitori TV e radio, trasmettitori, ecc. Impedenza di ingresso / uscita = resistenza.
Fattore "Q"
Ogni filtro LC ha un parametro noto come fattore Q (qualità), nei filtri passa basso e passa alto determina la pendenza della risposta in frequenza. Un filtro a basso Q sarà a banda molto larga e non filtrerà le frequenze indesiderate come un filtro a Q alto. Un filtro ad alto Q filtrerà le frequenze indesiderate, ma avrà un picco di risonanza, quindi agirà anche come filtro passa banda. Un fattore Q alto a volte riduce l'efficienza.
Filtri L.
I filtri L sono la forma più semplice di filtri LC. Sono costituiti da un condensatore e un induttore, collegati in un modo simile a quello che si trova nei filtri RC, con l'induttore che sostituisce il resistore. Possono essere utilizzati per abbinare un'impedenza superiore o inferiore all'impedenza della sorgente. In ogni filtro L, c'è solo una combinazione di L e C che può abbinare una data impedenza di ingresso a una data impedenza di uscita.
Ad esempio, per abbinare un carico di 50 Ω a un carico di 100 Ω a 14 MHz, abbiamo bisogno di un induttore da 560 nH con un condensatore da 114 pF: questa è l'unica combinazione che può eseguire l'abbinamento a questa frequenza con queste resistenze. Il loro fattore Q, e quindi quanto è buono il filtro
√ ((R A / R B) -1) = Q
Dove R A è l'impedenza maggiore, RL è l'impedenza minore e Q è il fattore Q con il carico appropriato collegato.
Nel nostro caso, la Q caricata sarà uguale a √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Se volessimo più o meno filtraggio (Q diverso), avremmo bisogno del Filtro PI, dove Q è completamente regolabile e puoi avere diverse combinazioni L e C che possono darti la corrispondenza richiesta a una data frequenza, ciascuna con una Q diversa.
Per calcolare i valori dei componenti del filtro L, abbiamo bisogno di tre cose: resistenza di uscita della sorgente, resistenza del carico e frequenza di funzionamento.
Ad esempio, la resistenza di uscita della sorgente sarà 3000 Ω, la resistenza di carico sarà 50 Ω e la frequenza è 14 MHz. Poiché la nostra resistenza sorgente è maggiore della resistenza di carico, useremo il filtro "b"
Per prima cosa, dobbiamo calcolare le reattanze dei due componenti di un filtro L, quindi possiamo calcolare l'induttanza e la capacità in base alla reattanza e alla frequenza di utilizzo:
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
Usiamo un calcolatore di reattanza per determinare un'induttanza che ha una reattanza di 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
Usiamo un calcolatore di reattanza per determinare un'induttanza che ha una reattanza di 390,6 Ω a 14 MHz
C = 29,1 pF
Come puoi vedere, la risposta in frequenza del filtro è un passa-basso con un picco di risonanza a 14MHz, il picco di risonanza è causato dal filtro che ha un Q alto se il Q fosse più basso, il filtro sarebbe passa-basso senza un picco. Se volessimo un Q diverso, quindi il filtro sarebbe più a banda larga, dovremmo usare un filtro PI perché il Q del filtro L dipende dalla resistenza della sorgente e dalla resistenza del carico. Se usiamo questo circuito per abbinare l'impedenza di uscita di un tubo o di un transistor, dovremmo sottrarre l'uscita alla capacità di terra dal condensatore del filtro perché sono in parallelo. Se usiamo un transistor con una capacità collettore-emettitore (ovvero capacità di uscita) di 10pF, la capacità di C dovrebbe essere 19,1 pF invece di 29,1 pF.
Filtri PI
Il filtro PI è un circuito di accoppiamento molto versatile, composto da 3 elementi reattivi, solitamente due condensatori e un induttore. A differenza del filtro L, dove solo una combinazione di L e C ha fornito l'adattamento di impedenza richiesto a una data frequenza, il filtro PI consente più combinazioni di C1, C2 e L per ottenere l'adattamento di impedenza desiderato, ciascuna combinazione con una Q diversa.
I filtri PI sono più spesso utilizzati nelle applicazioni, dove è necessario sintonizzare diverse resistenze di carico o anche impedenze complesse, come gli amplificatori di potenza RF perché il loro rapporto di impedenza di ingresso / uscita (r i) è determinato dal rapporto tra i condensatori al quadrato, quindi quando si sintonizza un'impedenza diversa la bobina può rimanere la stessa, mentre vengono sintonizzati solo i condensatori. C1 e C2 negli amplificatori di potenza RF sono spesso variabili.
(C1 / C2) ² = r i
Quando vogliamo un filtro più a banda larga usiamo Q un po 'al di sopra di Q crit quando vogliamo un filtro più nitido, come all'uscita di un amplificatore di potenza RF usiamo Q che è molto più grande di Q crit, ma inferiore a 10, come il maggiore è il Q del filtro minore è l'efficienza. Il Q tipico dei filtri PI negli stadi di uscita RF è 7, ma questo valore può variare.
Q crit = √ (R A / R B -1)
Dove: R A è la maggiore delle due resistenze (sorgente o carico) e R B è la resistenza minore. In generale, il filtro PI a Q più alto può essere considerato, ignorando l'adattamento di impedenza come un circuito risonante parallelo costituito da una bobina L e un condensatore C con una capacità pari a:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Questo circuito risonante dovrebbe risuonare alla frequenza con cui verrà utilizzato il filtro.
Per calcolare i valori dei componenti di un filtro PI abbiamo bisogno di quattro cose: resistenza di uscita della sorgente, resistenza del carico, frequenza di funzionamento e Q.
Ad esempio, dobbiamo abbinare una sorgente da 8 Ω a un carico da 75 Ω con una Q di 7.
R A è la maggiore delle due resistenze (sorgente o carico) e R B è la resistenza minore.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Usiamo un calcolatore di reattanza per determinare una capacità che ha una reattanza di 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
Usiamo un calcolatore di reattanza per determinare un'induttanza che ha una reattanza di 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
Usiamo un calcolatore di reattanza per determinare una capacità che ha una reattanza di 3,59 Ω a 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Come con il filtro L, se il nostro dispositivo di uscita ha una capacità di uscita (catodo a piastra per tubi, da collettore a emettitore per BJT, spesso solo capacità di uscita per MOSFET, tubi e BJT) dobbiamo sottrarla da C1 perché quella capacità è collegato in parallelo ad esso. Se usassimo un transistor IRF510, con una capacità di uscita di 180 pF, come dispositivo di uscita di potenza C1 dovrebbe essere 6,3 nF-0,18 nF, quindi 6,17 nF. Se usassimo più transistor in parallelo per ottenere una maggiore potenza di uscita, le capacità si sommerebbero.
Per 3 IRF510 sarebbe 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, quindi 5,76 nF invece di 6,3 nF.
Altri circuiti LC utilizzati per l'adattamento dell'impedenza
Esistono numerosi circuiti LC diversi utilizzati per abbinare le impedenze, come filtri T, circuiti di adattamento speciali per amplificatori di potenza a transistor o filtri PI-L (filtro PI con un induttore aggiuntivo).
