阻抗匹配滤波器電(diàn)路设计– LC，L和PI滤波器

2020-04-26

阻抗匹配的基础知识以及如何使用(yòng)阻抗匹配变压器。除了使用(yòng)阻抗匹配变压器以外，设计人员还可(kě)以在RF放大器的输出端使用(yòng)阻抗滤波器電(diàn)路，该電(diàn)路可(kě)以兼作滤波電(diàn)路和阻抗匹配電(diàn)路。有(yǒu)许多(duō)类型的滤波器電(diàn)路可(kě)用(yòng)于阻抗匹配，本文(wén)将讨论最常见的滤波器電(diàn)路。

LC滤波器匹配

可(kě)以使用(yòng)各种LC滤波器来匹配阻抗并提供滤波。滤波对功率RF放大器的输出尤為(wèi)重要，因為(wèi)它们会产生很(hěn)多(duō)有(yǒu)害的谐波，这些噪声必须在天線(xiàn)发射之前进行滤波，因為(wèi)它们会引起干扰，并且会在電(diàn)台被批准发射的频率以外的频率上发射可(kě)能(néng)是非法的。我们将介绍低通LC滤波器，因為(wèi)无線(xiàn)電(diàn)功率放大器仅产生谐波，并且谐波信号始终是基本信号的整数倍，因此它们的频率始终高于基本信号–这就是為(wèi)什么我们使用(yòng)低通滤波器，它们在消除谐波的同时让所需信号通过。在设计LC滤波器时，我们将讨论源電(diàn)阻和负载電(diàn)阻而不是阻抗，因為(wèi)如果负载或源具有(yǒu)一些串联或并联的電(diàn)感或電(diàn)容，并且因此具有(yǒu)非電(diàn)阻性阻抗，则计算会变得更加复杂。在这种情况下，最好使用(yòng)PI过滤器或L过滤器计算器。在大多(duō)数情况下，例如集成電(diàn)路，正确制作和调谐的天線(xiàn)，電(diàn)视和无線(xiàn)電(diàn)接收机，发射机等。输出/输入阻抗=電(diàn)阻。

“ Q”因子

每个LC滤波器都有(yǒu)一个称為(wèi)Q（品质因数）的参数，在低通和高通滤波器中，它确定频率响应的陡度。低Q滤波器将具有(yǒu)非常宽的带宽，不会像高Q滤波器那样滤除不希望的频率。高Q滤波器会滤除不需要的频率，但会产生谐振峰值，因此它也将用(yòng)作带通滤波器。高Q因数有(yǒu)时会降低效率。

L滤镜

L滤波器是LC滤波器的最简单形式。它们由一个電(diàn)容器和一个電(diàn)感器组成，以类似于RC滤波器的方式连接，用(yòng)電(diàn)感器代替電(diàn)阻器。它们可(kě)用(yòng)于匹配高于或低于源阻抗的阻抗。在每个L滤波器中，只有(yǒu)L和C的一种组合可(kě)以使给定的输入阻抗与给定的输出阻抗匹配。

例如，要使14 MHz的50Ω负载与100Ω负载匹配，我们需要一个具有(yǒu)114pF電(diàn)容器的560nH電(diàn)感器–这是唯一可(kě)以在此频率下与这些電(diàn)阻匹配的组合。它们的Q因子，因此滤波器等于

√（（（R A / R B）-1）= Q

其中R A是较大的阻抗，RL是较小(xiǎo)的阻抗，Q是连接了适当负载的Q因子。

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(duō)或更少的过滤（不同的Q），则需要PI滤波器，其Q值是完全可(kě)调的，并且您可(kě)以具有(yǒu)不同的L和C组合，这些组合可(kě)以在给定的频率下為(wèi)您提供所需的匹配，每个都有(yǒu)不同的Q。

要计算L个滤波器组件的值，我们需要三件事：源的输出電(diàn)阻，负载的電(diàn)阻以及工作频率。

例如，源的输出電(diàn)阻将為(wèi)3000Ω，负载電(diàn)阻将為(wèi)50Ω，频率為(wèi)14 MHz。由于我们的源電(diàn)阻大于负载電(diàn)阻，因此我们将使用(yòng)“ b”滤波器

首先，我们需要计算L滤波器的两个组件的電(diàn)抗，然后可(kě)以基于電(diàn)抗和使用(yòng)频率来计算電(diàn)感和電(diàn)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 大号 =√147500Ω 2 

X 大号 = 384.1Ω

我们使用(yòng)電(diàn)抗计算器确定在14MHz时電(diàn)抗為(wèi)384.1Ω的電(diàn)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

我们使用(yòng)電(diàn)抗计算器确定在14MHz时電(diàn)抗為(wèi)390.6Ω的電(diàn)感

C = 29.1 pF

如您所见，滤波器的频率响应是一个低通，具有(yǒu)一个在14MHz的谐振峰，如果Q较低，则谐振峰是由滤波器具有(yǒu)较高的Q引起的，该滤波器将是没有(yǒu)峰的低通。如果我们想要一个不同的Q，那么该滤波器将具有(yǒu)更高的带宽，我们将需要使用(yòng)PI滤波器，因為(wèi)L滤波器的Q取决于源電(diàn)阻和负载電(diàn)阻。如果使用(yòng)此電(diàn)路来匹配電(diàn)子管或晶體(tǐ)管的输出阻抗，则需要从滤波器的電(diàn)容器中减去输出至地的電(diàn)容，因為(wèi)它们是并联的。如果我们使用(yòng)集電(diàn)极-发射极電(diàn)容（即输出電(diàn)容）為(wèi)10pF的晶體(tǐ)管，则C的電(diàn)容应為(wèi)19.1 pF，而不是29.1 pF。

PI过滤器

的PI滤波器是一个非常通用(yòng)的匹配電(diàn)路，它由3层反应性的元件，通常是两个電(diàn)容器和一个電(diàn)感器。与L滤波器不同，L滤波器只有(yǒu)L和C的一种组合会在给定的频率下提供所需的阻抗匹配，而PI滤波器允许C1，C2和L的多(duō)种组合来实现所需的阻抗匹配，每种组合都具有(yǒu)不同的Q.

PI滤波器更常用(yòng)于需要调谐至不同负载電(diàn)阻甚至复杂阻抗的应用(yòng)中，例如RF功率放大器，因為(wèi)它们的输入输出阻抗比（r i）由電(diàn)容器平方的比值决定，因此当调谐到不同的阻抗时，線(xiàn)圈可(kě)以保持不变，而仅调谐電(diàn)容器。射频功率放大器中的C1和C2通常是可(kě)变的。

（C1 / C2）²= r i

当我们想要一个更宽带的滤波器时，当我们想要一个更锐利的滤波器时，我们在Q crit之上使用(yòng)Q一点，例如在RF功率放大器的输出处，我们使用(yòng)Q遠(yuǎn)大于Q crit但小(xiǎo)于10的Q 作為(wèi)滤波器的Q越高，效率越低。RF输出级中PI滤波器的典型Q為(wèi)7，但该值可(kě)能(néng)会有(yǒu)所不同。

Q Crit =√（R A / R B -1）

其中：R A是两个（源或负载）電(diàn)阻中的较高者，R B是较小(xiǎo)的電(diàn)阻。通常，可(kě)以将较高Q 的PI滤波器视為(wèi)阻抗匹配，而将其视為(wèi)由線(xiàn)圈L和電(diàn)容C组成的并联谐振電(diàn)路，其電(diàn)容等于：

C =（C1 * C2）/（C1 + C2）

该谐振電(diàn)路应在将使用(yòng)滤波器的频率下谐振。

要计算PI滤波器组件的值，我们需要做四件事：源的输出電(diàn)阻，负载的電(diàn)阻，工作频率和Q。

例如，我们需要将一个8Ω的源匹配到一个Q為(wèi)7的75Ω负载。

R A是两个（源或负载）電(diàn)阻中的较高者，R B是较小(xiǎo)的電(diàn)阻。

X C1 = R A / Q

X C1 = 75Ω/ 7

X C1 = 10.7欧姆

我们使用(yòng)電(diàn)抗计算器确定在7 MHz时電(diàn)抗為(wèi)10.7Ω的電(diàn)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 大号 =（575 +Ω（600Ω 2 /3.59Ω））/ 50

X L =（575Ω+（167Ω））/ 50

X L = 742Ω/ 50

X L = 14.84Ω

我们使用(yòng)電(diàn)抗计算器确定在7 MHz时電(diàn)抗為(wèi)14.84Ω的電(diàn)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

我们使用(yòng)電(diàn)抗计算器确定在7 MHz时電(diàn)抗為(wèi)3.59Ω的電(diàn)容

C2 = 6.3nF

只是用(yòng)于MOSFET，管和BJT的输出電(diàn)容），我们需要从C1中减去它，因為(wèi)该電(diàn)容為(wèi)与之并联。如果我们使用(yòng)具有(yǒu)180 pF输出電(diàn)容的IRF510晶體(tǐ)管作為(wèi)功率输出设备，则C1需要為(wèi)6.3 nF-0.18 nF，因此為(wèi)6.17 nF。如果我们使用(yòng)多(duō)个并联的晶體(tǐ)管来获得更高的输出功率，那么電(diàn)容将相加。

对于3个IRF510，它将是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。

一个PI滤波器（C3，L1，C4）用(yòng)于将電(diàn)子管的高阻抗（GU-50约為(wèi)2500Ω）与50欧姆天線(xiàn)相匹配，还用(yòng)于滤波谐波。C3，L1和C4都是可(kě)调的，因此功率放大器可(kě)以在不同的频率和不同的天線(xiàn)阻抗下使用(yòng)

其他(tā)用(yòng)于阻抗匹配的LC電(diàn)路

有(yǒu)许多(duō)用(yòng)于匹配阻抗的LC電(diàn)路，例如T滤波器，晶體(tǐ)管功率放大器的特殊匹配電(diàn)路或PI-L滤波器（带有(yǒu)附加電(diàn)感器的PI滤波器）。