Trong phần trước, chúng ta đã thảo luận về những kiến thức cơ bản về kết hợp trở kháng và cách sử dụng biến áp kết hợp trở kháng. Ngoài việc sử dụng một biến áp phù hợp trở kháng, các nhà thiết kế cũng có thể sử dụng mạch Lọc trở kháng ở đầu ra của bộ khuếch đại RF có thể tăng gấp đôi như một mạch lọc và cũng như một mạch kết hợp trở kháng. Có nhiều loại mạch lọc có thể được sử dụng để kết hợp trở kháng, những loại phổ biến nhất sẽ được thảo luận trong bài viết này.
Bộ lọc LC phù hợp
Các bộ lọc LC khác nhau có thể được sử dụng để phù hợp với trở kháng và cung cấp khả năng lọc. Việc lọc đặc biệt quan trọng đối với đầu ra của bộ khuếch đại RF công suất vì chúng tạo ra rất nhiều sóng hài không mong muốn phải được lọc trước khi chúng được ăng ten truyền đi vì chúng có thể gây nhiễu và truyền trên các tần số khác với tần số mà trạm được chấp thuận để phát. trên có thể là bất hợp pháp. Chúng tôi sẽ đề cập đến các bộ lọc LC thông thấpbởi vì bộ khuếch đại công suất vô tuyến chỉ tạo ra sóng hài và tín hiệu hài luôn là bội số của toàn bộ tín hiệu cơ bản, vì vậy chúng luôn có tần số cao hơn tín hiệu cơ sở - đây là lý do tại sao chúng tôi sử dụng bộ lọc thông thấp, chúng cho tín hiệu mong muốn đi qua khi nhận được thoát khỏi sóng hài. Khi thiết kế bộ lọc LC, chúng ta sẽ nói về điện trở nguồn và điện trở tải thay vì trở kháng, bởi vì nếu tải hoặc nguồn có một số điện trở hoặc điện dung nối tiếp hoặc song song, và do đó trở kháng không điện trở thì việc tính toán sẽ phức tạp hơn nhiều. Trong trường hợp này, tốt nhất là sử dụng bộ lọc PI hoặc bộ lọc L. Trong hầu hết các trường hợp, chẳng hạn như mạch tích hợp, ăng-ten được chế tạo và điều chỉnh thích hợp, máy thu, phát TV và radio, v.v. trở kháng đầu ra / đầu vào = điện trở.
Hệ số "Q"
Mỗi bộ lọc LC có một tham số được gọi là hệ số Q (chất lượng), trong bộ lọc thông thấp và thông cao, nó xác định độ dốc của đáp ứng tần số. Bộ lọc Q thấp sẽ có băng thông rất rộng và sẽ không lọc ra các tần số không mong muốn tốt như bộ lọc Q cao. Bộ lọc Q cao sẽ lọc ra các tần số không mong muốn, nhưng nó sẽ có cực đại cộng hưởng, vì vậy nó cũng sẽ hoạt động như một bộ lọc thông dải. Hệ số Q cao đôi khi làm giảm hiệu quả.
L bộ lọc
Bộ lọc L là dạng bộ lọc LC đơn giản nhất. Chúng bao gồm một tụ điện và một cuộn cảm, được kết nối theo cách tương tự như cách tìm thấy trong bộ lọc RC, với cuộn cảm thay thế điện trở. Chúng có thể được sử dụng để phù hợp với trở kháng cao hơn hoặc thấp hơn trở kháng nguồn. Trong mỗi bộ lọc L, chỉ có một tổ hợp L và C có thể khớp với trở kháng đầu vào nhất định với trở kháng đầu ra đã cho.
Ví dụ, để kết hợp tải 50 Ω với tải 100 Ω ở tần số 14MHz, chúng tôi cần cuộn cảm 560nH với tụ điện 114pF - đây là sự kết hợp duy nhất có thể thực hiện khớp ở tần số này với các điện trở này. Hệ số Q của chúng và do đó bộ lọc tốt như thế nào bằng
√ ((R A / R B) -1) = Q
Trong đó R A là trở kháng lớn hơn, RL là trở kháng nhỏ hơn và Q là hệ số Q với tải thích hợp được kết nối.
Trong trường hợp của chúng ta, Q được tải sẽ bằng √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Nếu chúng ta muốn lọc nhiều hơn hoặc ít hơn (Q khác), chúng ta sẽ cần Bộ lọc PI, trong đó Q có thể điều chỉnh hoàn toàn và bạn có thể có các kết hợp L và C khác nhau có thể cung cấp cho bạn kết hợp bắt buộc ở một tần số nhất định, mỗi kết hợp với một Q khác nhau.
Để tính toán giá trị của các thành phần lọc L, chúng ta cần ba thứ: điện trở đầu ra của nguồn, điện trở của tải và tần số hoạt động.
Ví dụ, điện trở đầu ra của nguồn sẽ là 3000 Ω, điện trở tải sẽ là 50 Ω và tần số là 14 MHz. Vì điện trở nguồn của chúng tôi lớn hơn điện trở tải, chúng tôi sẽ sử dụng bộ lọc "b"
Đầu tiên, chúng ta cần tính toán điện trở của hai thành phần của bộ lọc L, sau đó chúng ta có thể tính độ tự cảm và điện dung dựa trên điện trở và tần số sử dụng:
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
Chúng tôi sử dụng một máy tính điện trở để xác định một cuộn cảm có điện trở 384,1 Ω ở 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
Chúng tôi sử dụng một máy tính điện trở để xác định một cuộn cảm có điện trở 390,6 Ω ở 14MHz
C = 29,1 pF
Như bạn có thể thấy, đáp ứng tần số của bộ lọc là tần số thấp với đỉnh cộng hưởng ở 14MHz, đỉnh cộng hưởng là do bộ lọc có Q cao nếu Q thấp hơn, bộ lọc sẽ là thông thấp mà không có đỉnh. Nếu chúng ta muốn một Q khác, vì vậy bộ lọc sẽ có băng thông rộng hơn, chúng ta sẽ cần sử dụng bộ lọc PI vì Q của bộ lọc L phụ thuộc vào điện trở nguồn và điện trở tải. Nếu chúng ta sử dụng mạch này để phù hợp với trở kháng đầu ra của một ống hoặc một bóng bán dẫn, chúng ta sẽ cần trừ đầu ra cho điện dung nối đất từ tụ điện của bộ lọc vì chúng mắc song song. Nếu chúng ta sử dụng một bóng bán dẫn có điện dung cực thu (hay còn gọi là điện dung đầu ra) là 10pF, thì điện dung của C phải là 19,1 pF thay vì 29,1 pF.
Bộ lọc PI
Bộ lọc PI là một mạch kết hợp rất linh hoạt, nó bao gồm 3 phần tử phản kháng, thường là hai tụ điện và một cuộn cảm. Không giống như bộ lọc L, trong đó chỉ có một sự kết hợp giữa L và C cho kết hợp trở kháng cần thiết ở một tần số nhất định, bộ lọc PI cho phép kết hợp nhiều C1, C2 và L để đạt được kết hợp trở kháng mong muốn, mỗi kết hợp có một Q khác nhau.
Bộ lọc PI thường được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng, nơi cần điều chỉnh các điện trở tải khác nhau hoặc thậm chí trở kháng phức tạp, chẳng hạn như bộ khuếch đại công suất RF vì tỷ lệ trở kháng đầu vào và đầu ra của chúng (r i) được xác định bằng tỷ lệ bình phương của tụ điện, vì vậy khi điều chỉnh đến một trở kháng khác, cuộn dây có thể giữ nguyên, trong khi chỉ có tụ điện được điều chỉnh. C1 và C2 trong bộ khuếch đại công suất RF thường thay đổi.
(C1 / C2) ² = r i
Khi chúng ta muốn bộ lọc băng thông rộng hơn, chúng ta sử dụng Q cao hơn Q crit một chút khi chúng ta muốn bộ lọc sắc nét hơn, chẳng hạn như ở đầu ra của bộ khuếch đại công suất RF, chúng ta sử dụng Q lớn hơn nhiều so với Q crit, nhưng dưới 10, như Q của bộ lọc càng cao thì hiệu quả càng thấp. Q điển hình của bộ lọc PI trong các giai đoạn đầu ra RF là 7, nhưng giá trị này có thể thay đổi.
Q crit = √ (R A / R B -1)
Trong đó: R A là điện trở cao hơn của hai (nguồn hoặc tải) và R B là điện trở nhỏ hơn. Nói chung, bộ lọc PI ở Q cao hơn có thể được coi là bỏ qua kết hợp trở kháng như một mạch cộng hưởng song song được tạo ra từ cuộn dây L và tụ điện C có điện dung bằng:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Mạch cộng hưởng này sẽ cộng hưởng ở tần số mà bộ lọc sẽ được sử dụng.
Để tính toán các giá trị của một thành phần bộ lọc PI, chúng ta cần bốn thứ: điện trở đầu ra của nguồn, điện trở của tải, tần số hoạt động và Q.
Ví dụ, chúng ta cần đấu một nguồn 8Ω với tải 75Ω với Q là 7.
R A là điện trở cao hơn của hai (nguồn hoặc tải) và R B là điện trở nhỏ hơn.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Chúng tôi sử dụng máy tính điện trở để xác định điện dung có điện trở 10,7 Ω ở 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
Chúng tôi sử dụng một máy tính điện trở để xác định một cuộn cảm có điện trở 14,84 Ω ở 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
Chúng tôi sử dụng máy tính điện trở để xác định điện dung có điện trở 3,59 Ω ở 7 MHz
C2 = 6,3nF
Giống như với bộ lọc L, nếu thiết bị đầu ra của chúng ta có bất kỳ điện dung đầu ra nào (cực âm tấm cho ống, bộ thu để phát cho BJT, thường chỉ là điện dung đầu ra cho MOSFET, ống và BJT), chúng ta cần phải trừ nó khỏi C1 vì điện dung đó kết nối song song với nó. Nếu chúng tôi sử dụng bóng bán dẫn IRF510, với điện dung đầu ra 180 pF, như một thiết bị đầu ra công suất C1 sẽ cần phải là 6,3 nF-0,18 nF, vậy 6,17 nF. Nếu chúng tôi sử dụng nhiều bóng bán dẫn song song để có được công suất đầu ra cao hơn thì tổng điện dung sẽ tăng lên.
Đối với 3 IRF510, nó sẽ là 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, do đó 5,76 nF thay vì 6,3 nF.
Các mạch LC khác được sử dụng để kết hợp trở kháng
Có rất nhiều mạch LC khác nhau được sử dụng để kết hợp trở kháng, chẳng hạn như bộ lọc T, mạch kết hợp đặc biệt cho bộ khuếch đại công suất bóng bán dẫn hoặc bộ lọc PI-L (bộ lọc PI với một cuộn cảm bổ sung).
