ในบทความก่อนหน้านี้เราได้กล่าวถึงพื้นฐานของการจับคู่อิมพีแดนซ์และวิธีใช้หม้อแปลงจับคู่อิมพีแดนซ์ นอกเหนือจากการใช้หม้อแปลงจับคู่อิมพีแดนซ์แล้วนักออกแบบยังสามารถใช้วงจรตัวกรองอิมพีแดนซ์ที่เอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณ RF ซึ่งสามารถเพิ่มเป็นวงจรกรองและเป็นวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์ได้อีกด้วย มีวงจรตัวกรองหลายประเภทที่สามารถใช้ในการจับคู่อิมพีแดนซ์ได้ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความนี้
การจับคู่ตัวกรอง LC
สามารถใช้ฟิลเตอร์ LCต่างๆเพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์และให้การกรอง การกรองมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณ RF กำลังเนื่องจากสร้างฮาร์มอนิกที่ไม่ต้องการจำนวนมากซึ่งต้องถูกกรองก่อนที่จะส่งโดยเสาอากาศเนื่องจากอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและส่งผ่านความถี่อื่นนอกเหนือจากที่สถานีได้รับอนุมัติให้ส่ง อาจผิดกฎหมาย เราจะกล่าวถึงฟิลเตอร์ LC แบบ low-passเนื่องจากแอมพลิฟายเออร์กำลังวิทยุสร้างเฉพาะฮาร์มอนิกและสัญญาณฮาร์มอนิกจะเป็นสัญญาณฐานหลายตัวเสมอดังนั้นจึงมีความถี่สูงกว่าสัญญาณพื้นฐานเสมอ - นี่คือเหตุผลที่เราใช้ตัวกรองความถี่ต่ำจึงปล่อยสัญญาณที่ต้องการผ่านในขณะที่รับ กำจัดฮาร์มอนิก เมื่อออกแบบตัวกรอง LC เราจะพูดถึงความต้านทานของแหล่งกำเนิดและความต้านทานต่อโหลดแทนที่จะเป็นอิมพีแดนซ์เพราะถ้าโหลดหรือแหล่งที่มามีอนุกรมหรือตัวเหนี่ยวนำหรือความจุแบบขนานและดังนั้นอิมพีแดนซ์ที่ไม่ใช่ตัวต้านทานการคำนวณจะซับซ้อนมากขึ้น ในกรณีนี้ควรใช้ตัวกรอง PI หรือเครื่องคำนวณตัวกรอง L ในกรณีส่วนใหญ่เช่นวงจรรวมเสาอากาศที่สร้างและปรับแต่งอย่างเหมาะสมเครื่องรับโทรทัศน์และวิทยุเครื่องส่งสัญญาณ ฯลฯ อิมพีแดนซ์เอาต์พุต / อินพุต = ความต้านทาน
ปัจจัย“ Q”
ตัวกรอง LC ทุกตัวมีพารามิเตอร์ที่เรียกว่าปัจจัยQ (คุณภาพ)ในตัวกรองความถี่ต่ำและความถี่สูงจะกำหนดความชันของการตอบสนองความถี่ ตัวกรอง Q ต่ำจะเป็นแบบบรอดแบนด์มากและจะไม่กรองความถี่ที่ไม่ต้องการออกไปเท่ากับตัวกรอง Q สูง ตัวกรอง Q สูงจะกรองความถี่ที่ไม่ต้องการออกไป แต่จะมีค่าสูงสุดที่สะท้อนดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบนด์พาสด้วย บางครั้งปัจจัย Q สูงจะลดประสิทธิภาพ
ตัวกรอง L
L ฟิลเตอร์เป็นฟิลเตอร์ LC ที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำซึ่งเชื่อมต่อกันในลักษณะเดียวกับที่พบในตัวกรอง RC โดยตัวเหนี่ยวนำจะแทนที่ตัวต้านทาน สามารถใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์ที่สูงหรือต่ำกว่าอิมพีแดนซ์ต้นทาง ในตัวกรอง L ทุกตัวจะมี L และ C เพียงชุดเดียวที่สามารถจับคู่ความต้านทานอินพุตที่กำหนดกับความต้านทานขาออก
ตัวอย่างเช่นในการจับคู่โหลด 50 Ωกับโหลด 100 Ωที่ 14MHz เราต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ 560nH พร้อมตัวเก็บประจุ 114pF - นี่เป็นชุดค่าผสมเดียวที่สามารถจับคู่ที่ความถี่นี้กับความต้านทานเหล่านี้ ปัจจัย Q ของพวกเขาและดังนั้นตัวกรองจึงดีเพียงใด
√ ((R A / R B) -1) = Q
โดยที่ R Aคืออิมพีแดนซ์ที่ใหญ่กว่า RL คืออิมพีแดนซ์ที่เล็กกว่าและ Q คือปัจจัย Q ที่เชื่อมต่อกับโหลดที่เหมาะสม
ในกรณีของเรา Q ที่โหลดจะเท่ากับ√ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1 หากเราต้องการการกรองมากขึ้นหรือน้อยลง (Q ต่างกัน) เราจะต้องใช้ ตัวกรอง PI โดยที่ Q สามารถปรับได้อย่างเต็มที่และคุณสามารถมีชุดค่าผสม L และ C ที่แตกต่างกันซึ่งสามารถให้การจับคู่ที่ต้องการในความถี่ที่กำหนดโดยแต่ละตัวมีค่า Q ต่างกัน
ในการคำนวณค่าของส่วนประกอบตัวกรอง Lเราต้องการสามสิ่ง: ความต้านทานขาออกของแหล่งกำเนิดความต้านทานของโหลดและความถี่ในการทำงาน
ตัวอย่างเช่นความต้านทานเอาต์พุตของแหล่งกำเนิดจะเป็น 3000 Ωความต้านทานต่อโหลดจะเท่ากับ 50 Ωและความถี่คือ 14 MHz เนื่องจากความต้านทานต้นทางของเรามีค่ามากกว่าความต้านทานต่อโหลดเราจึงใช้ตัวกรอง "b"
ขั้นแรกเราต้องคำนวณค่ารีแอคแตนซ์ของส่วนประกอบทั้งสองของตัวกรอง L จากนั้นเราสามารถคำนวณความเหนี่ยวนำและความจุตามค่ารีแอคแตนซ์และความถี่ในการใช้งาน:
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 = √147500Ω 2 X L = 384.1 Ω
เราใช้เครื่องคำนวณรีแอกแตนซ์เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำที่มีรีแอคแตนซ์ 384.1 Ωที่ 14MHz
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
เราใช้เครื่องคำนวณรีแอกแตนซ์เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำที่มีรีแอคแตนซ์ 390.6 Ωที่ 14MHz
C = 29.1 pF
อย่างที่คุณเห็นการตอบสนองความถี่ของตัวกรองคือการส่งผ่านต่ำที่มีจุดสูงสุดของเรโซแนนซ์ที่ 14MHz จุดสูงสุดของเรโซแนนซ์เกิดจากตัวกรองที่มี Q สูงหาก Q ต่ำกว่าตัวกรองจะเป็นโลว์พาสโดยไม่มีจุดสูงสุด หากเราต้องการ Q ที่แตกต่างกันดังนั้นตัวกรองจะเป็นแบบบรอดแบนด์มากกว่าเราจำเป็นต้องใช้ตัวกรอง PI เนื่องจาก Q ของตัวกรอง L ขึ้นอยู่กับความต้านทานของแหล่งที่มาและความต้านทานต่อโหลด ถ้าเราใช้วงจรนี้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของหลอดหรือทรานซิสเตอร์เราจะต้องลบเอาต์พุตเป็นความจุกราวด์ออกจากตัวเก็บประจุของตัวกรองเนื่องจากอยู่ในแบบขนาน ถ้าเราใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีความจุตัวเก็บประจุ (หรือที่เรียกว่าความจุเอาท์พุท) เท่ากับ 10pF ความจุของ C ควรเป็น 19.1 pF แทนที่จะเป็น 29.1 pF
ตัวกรอง PI
ตัวกรอง PI เป็นวงจรจับคู่ที่หลากหลายมากประกอบด้วยองค์ประกอบปฏิกิริยา 3 ตัวโดยปกติจะเป็นตัวเก็บประจุสองตัวและตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัว ซึ่งแตกต่างจากตัวกรอง L โดยที่ L และ C เพียงชุดเดียวให้การจับคู่อิมพีแดนซ์ที่ต้องการในความถี่ที่กำหนดตัวกรอง PI อนุญาตให้ใช้ C1, C2 และ L หลายชุดเพื่อให้ได้การจับคู่อิมพีแดนซ์ที่ต้องการโดยแต่ละชุดค่าผสมจะมี Q ที่แตกต่างกัน
ตัวกรอง PI มักใช้ในแอปพลิเคชันซึ่งมีความจำเป็นในการปรับค่าความต้านทานโหลดที่แตกต่างกันหรือแม้แต่อิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนเช่น RF เพาเวอร์แอมป์เนื่องจากอัตราส่วนอิมพีแดนซ์อินพุตต่อเอาต์พุต (r i) ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของตัวเก็บประจุกำลังสองดังนั้น เมื่อปรับเป็นอิมพีแดนซ์ที่ต่างกันขดลวดจะยังคงเหมือนเดิมในขณะที่จูนเฉพาะคาปาซิเตอร์เท่านั้น C1 และ C2 ในเพาเวอร์แอมป์ RF มักจะแปรผัน
(C1 / C2) ² = r i
เมื่อเราต้องการขึ้นกรองบรอดแบนด์เราใช้ Q นิด ๆ หน่อย ๆ above Q critเมื่อเราต้องการกรองคมชัดเช่นที่การส่งออกของพลังงาน RF นั้นเครื่องขยายเสียงที่เราใช้ Q ที่มีขนาดใหญ่กว่า Q critแต่ต่ำกว่า 10 เป็น Q ของตัวกรองสูงขึ้นประสิทธิภาพจะลดลง Q ทั่วไปของฟิลเตอร์ PI ในขั้นตอนเอาต์พุต RF คือ 7 แต่ค่านี้อาจแตกต่างกันไป
Q Crit = √ (R A / R B -1)
ที่ไหน: R Aคือค่าความต้านทานสองค่า (แหล่งที่มาหรือโหลด) ที่สูงกว่าและ R Bคือความต้านทานที่น้อยกว่า โดยทั่วไปตัวกรอง PIที่ Q สูงกว่าสามารถมองเห็นได้โดยไม่สนใจการจับคู่อิมพีแดนซ์เป็นวงจรเรโซแนนซ์ขนานที่ทำจากขดลวด L และตัวเก็บประจุ C ที่มีความจุเท่ากับ:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
วงจรเรโซแนนซ์นี้ควรสะท้อนที่ความถี่ที่ตัวกรองจะใช้
ในการคำนวณค่าของส่วนประกอบตัวกรอง PI เราต้องการสี่สิ่ง: ความต้านทานขาออกของแหล่งกำเนิดความต้านทานของโหลดความถี่ในการทำงานและ Q.
ตัวอย่างเช่นเราต้องจับคู่แหล่งที่มา8Ωกับโหลด75Ωโดยมี Q เป็น 7
R Aคือค่าความต้านทานทั้งสอง (ที่มาหรือโหลด) ที่สูงกว่าและ R Bคือความต้านทานที่น้อยกว่า
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10.7 Ω
เราใช้เครื่องคำนวณรีแอกแตนซ์เพื่อหาค่าความจุที่มีรีแอคแตนซ์ 10.7 Ωที่ 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
เราใช้เครื่องคำนวณรีแอกแตนซ์เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำที่มีรีแอคแตนซ์ 14.84 Ωที่ 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
เราใช้เครื่องคำนวณรีแอกแตนซ์เพื่อกำหนดความจุที่มีรีแอคแตนซ์ 3.59 Ωที่ 7 MHz
C2 = 6.3nF
เช่นเดียวกับตัวกรอง L หากอุปกรณ์เอาต์พุตของเรามีความจุเอาต์พุตใด ๆ (แคโทดเพลทสำหรับหลอดตัวเก็บรวบรวมไปยังตัวปล่อยสำหรับ BJT มักเป็นเพียงแค่ความจุเอาท์พุทสำหรับ MOSFETs หลอดและ BJT) เราจำเป็นต้องลบออกจาก C1 เนื่องจากความจุนั้นคือ เชื่อมต่อแบบขนานกับมัน ถ้าเราใช้ทรานซิสเตอร์ IRF510 ที่มีความจุเอาต์พุต 180 pF เนื่องจากอุปกรณ์เอาต์พุตกำลัง C1 จะต้องเป็น 6.3 nF-0.18 nF ดังนั้น 6.17 nF ถ้าเราใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวขนานกันเพื่อให้ได้กำลังขับที่สูงขึ้นความจุจะรวมกัน
สำหรับ 3 IRF510 จะเป็น 6.3 nF-0.18 nF * 3 = 6.3 nF-0.54 nF ดังนั้น 5.76 nF แทนที่จะเป็น 6.3 nF
วงจร LC อื่น ๆ ที่ใช้สำหรับการจับคู่อิมพีแดนซ์
มีวงจร LC ที่แตกต่างกันมากมายที่ใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์เช่นตัวกรอง Tวงจรจับคู่พิเศษสำหรับวงจรขยายกำลังทรานซิสเตอร์หรือตัวกรอง PI-L (ตัวกรอง PI พร้อมตัวเหนี่ยวนำเพิ่มเติม)