阻抗匹配濾波器電路設計– LC，L和PI濾波器

2020-04-26

阻抗匹配的基礎知識以及如何使用阻抗匹配變壓器。除了使用阻抗匹配變壓器以外，設計人員還可以在RF放大器的輸出端使用阻抗濾波器電路，該電路可以兼作濾波電路和阻抗匹配電路。有許多類(lèi)型的濾波器電路可用于阻抗匹配，本文將討論最常見(jiàn)的濾波器電路。

LC濾波器匹配

可以使用各種LC濾波器來(lái)匹配阻抗并提供濾波。濾波對功率RF放大器的輸出尤為重要，因為它們會(huì )產(chǎn)生很多有害的諧波，這些噪聲必須在天線(xiàn)發(fā)射之前進(jìn)行濾波，因為它們會(huì )引起干擾，并且會(huì )在電臺被批準發(fā)射的頻率以外的頻率上發(fā)射可能是非法的。我們將介紹低通LC濾波器，因為無(wú)線(xiàn)電功率放大器僅產(chǎn)生諧波，并且諧波信號始終是基本信號的整數倍，因此它們的頻率始終高于基本信號–這就是為什么我們使用低通濾波器，它們在消除諧波的同時(shí)讓所需信號通過(guò)。在設計LC濾波器時(shí)，我們將討論源電阻和負載電阻而不是阻抗，因為如果負載或源具有一些串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容，并且因此具有非電阻性阻抗，則計算會(huì )變得更加復雜。在這種情況下，最好使用PI過(guò)濾器或L過(guò)濾器計算器。在大多數情況下，例如集成電路，正確制作和調諧的天線(xiàn)，電視和無(wú)線(xiàn)電接收機，發(fā)射機等。輸出/輸入阻抗=電阻。

“ Q”因子

每個(gè)LC濾波器都有一個(gè)稱(chēng)為Q（品質(zhì)因數）的參數，在低通和高通濾波器中，它確定頻率響應的陡度。低Q濾波器將具有非常寬的帶寬，不會(huì )像高Q濾波器那樣濾除不希望的頻率。高Q濾波器會(huì )濾除不需要的頻率，但會(huì )產(chǎn)生諧振峰值，因此它也將用作帶通濾波器。高Q因數有時(shí)會(huì )降低效率。

L濾鏡

L濾波器是LC濾波器的最簡(jiǎn)單形式。它們由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成，以類(lèi)似于RC濾波器的方式連接，用電感器代替電阻器。它們可用于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每個(gè)L濾波器中，只有L和C的一種組合可以使給定的輸入阻抗與給定的輸出阻抗匹配。

例如，要使14 MHz的50Ω負載與100Ω負載匹配，我們需要一個(gè)具有114pF電容器的560nH電感器–這是唯一可以在此頻率下與這些電阻匹配的組合。它們的Q因子，因此濾波器等于

√（（（R A / R B）-1）= Q

其中R A是較大的阻抗，RL是較小的阻抗，Q是連接了適當負載的Q因子。

在我們的例子中，加載的Q將等于√（（100/50）-1）=√（2-1）=√1=1。如果我們想要更多或更少的過(guò)濾（不同的Q），則需要PI濾波器，其Q值是完全可調的，并且您可以具有不同的L和C組合，這些組合可以在給定的頻率下為您提供所需的匹配，每個(gè)都有不同的Q。

要計算L個(gè)濾波器組件的值，我們需要三件事：源的輸出電阻，負載的電阻以及工作頻率。

例如，源的輸出電阻將為3000Ω，負載電阻將為50Ω，頻率為14 MHz。由于我們的源電阻大于負載電阻，因此我們將使用“ b”濾波器

首先，我們需要計算L濾波器的兩個(gè)組件的電抗，然后可以基于電抗和使用頻率來(lái)計算電感和電容：

X L =√（R S *（R L -R S））

X L =√（50Ω*（3000Ω-50Ω）

X L =√（50Ω*（3000Ω-50Ω）

X L =√（50Ω* 2950Ω）

X L =√（50Ω* 2950Ω）

X 大號 =√147500Ω 2 

X 大號 = 384.1Ω

我們使用電抗計算器確定在14MHz時(shí)電抗為384.1Ω的電感

L = 4.37μH

X C =（R S * R L）/ X L 

X C =（50Ω* 3000Ω）/384.1Ω

X c ^ = 150000Ω 2 /384.1Ω

X C = 390.6Ω

我們使用電抗計算器確定在14MHz時(shí)電抗為390.6Ω的電感

C = 29.1 pF

如您所見(jiàn)，濾波器的頻率響應是一個(gè)低通，具有一個(gè)在14MHz的諧振峰，如果Q較低，則諧振峰是由濾波器具有較高的Q引起的，該濾波器將是沒(méi)有峰的低通。如果我們想要一個(gè)不同的Q，那么該濾波器將具有更高的帶寬，我們將需要使用PI濾波器，因為L濾波器的Q取決于源電阻和負載電阻。如果使用此電路來(lái)匹配電子管或晶體管的輸出阻抗，則需要從濾波器的電容器中減去輸出至地的電容，因為它們是并聯(lián)的。如果我們使用集電極-發(fā)射極電容（即輸出電容）為10pF的晶體管，則C的電容應為19.1 pF，而不是29.1 pF。

PI過(guò)濾器

的PI濾波器是一個(gè)非常通用的匹配電路，它由3層反應性的元件，通常是兩個(gè)電容器和一個(gè)電感器。與L濾波器不同，L濾波器只有L和C的一種組合會(huì )在給定的頻率下提供所需的阻抗匹配，而PI濾波器允許C1，C2和L的多種組合來(lái)實(shí)現所需的阻抗匹配，每種組合都具有不同的Q.

PI濾波器更常用于需要調諧至不同負載電阻甚至復雜阻抗的應用中，例如RF功率放大器，因為它們的輸入輸出阻抗比（r i）由電容器平方的比值決定，因此當調諧到不同的阻抗時(shí)，線(xiàn)圈可以保持不變，而僅調諧電容器。射頻功率放大器中的C1和C2通常是可變的。

（C1 / C2）2= r i

當我們想要一個(gè)更寬帶的濾波器時(shí)，當我們想要一個(gè)更銳利的濾波器時(shí)，我們在Q crit之上使用Q一點(diǎn)，例如在RF功率放大器的輸出處，我們使用Q遠大于Q crit但小于10的Q 作為濾波器的Q越高，效率越低。RF輸出級中PI濾波器的典型Q為7，但該值可能會(huì )有所不同。

Q Crit =√（R A / R B -1）

其中：R A是兩個(gè)（源或負載）電阻中的較高者，R B是較小的電阻。通常，可以將較高Q 的PI濾波器視為阻抗匹配，而將其視為由線(xiàn)圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振電路，其電容等于：

C =（C1 * C2）/（C1 + C2）

該諧振電路應在將使用濾波器的頻率下諧振。

要計算PI濾波器組件的值，我們需要做四件事：源的輸出電阻，負載的電阻，工作頻率和Q。

例如，我們需要將一個(gè)8Ω的源匹配到一個(gè)Q為7的75Ω負載。

R A是兩個(gè)（源或負載）電阻中的較高者，R B是較小的電阻。

X C1 = R A / Q

X C1 = 75Ω/ 7

X C1 = 10.7歐姆

我們使用電抗計算器確定在7 MHz時(shí)電抗為10.7Ω的電容

C1 = 2.12 nF

X L =（Q * R A +（R A * R B / X C2））/（Q 2 +1）

X L =（7 * 75Ω+（75Ω* 8Ω/ 3.59Ω））/ 7 2 +1

X 大號 =（575 +Ω（600Ω 2 /3.59Ω））/ 50

X L =（575Ω+（167Ω））/ 50

X L = 742Ω/ 50

X L = 14.84Ω

我們使用電抗計算器確定在7 MHz時(shí)電抗為14.84Ω的電感

L = 340 nH

X C2 = R B *√（（R A / R B）/（Q 2 + 1-（R A / R B）））

X C2 = 8Ω*√（（75Ω/ 8Ω）/（Q 2 + 1-（75Ω/ 8Ω）））

X C2 = 8Ω*√（9.38 /（49 + 1-3.38））

X C2 = 8Ω*√（9.38 / 46.62）

X C2 = 8Ω*√0.2

X C2 = 8Ω* 0.45

X C2 = 3.59Ω

我們使用電抗計算器確定在7 MHz時(shí)電抗為3.59Ω的電容

C2 = 6.3nF

只是用于MOSFET，管和BJT的輸出電容），我們需要從C1中減去它，因為該電容為與之并聯(lián)。如果我們使用具有180 pF輸出電容的IRF510晶體管作為功率輸出設備，則C1需要為6.3 nF-0.18 nF，因此為6.17 nF。如果我們使用多個(gè)并聯(lián)的晶體管來(lái)獲得更高的輸出功率，那么電容將相加。

對于3個(gè)IRF510，它將是6.3 nF-0.18 nF * 3 = 6.3 nF-0.54 nF，因此是5.76 nF而不是6.3 nF。

一個(gè)PI濾波器（C3，L1，C4）用于將電子管的高阻抗（GU-50約為2500Ω）與50歐姆天線(xiàn)相匹配，還用于濾波諧波。C3，L1和C4都是可調的，因此功率放大器可以在不同的頻率和不同的天線(xiàn)阻抗下使用

其他用于阻抗匹配的LC電路

有許多用于匹配阻抗的LC電路，例如T濾波器，晶體管功率放大器的特殊匹配電路或PI-L濾波器（帶有附加電感器的PI濾波器）。