最常見的濾波器電路分享

有許多類型的濾波器電路可用于阻抗匹配，本文討論了最常見的濾波器電路。

LC濾波器匹配

各種LC濾波器可用于匹配阻抗并提供濾波。濾波對功率射頻放大器的輸出尤為重要，因為它們會產(chǎn)生大量不需要的諧波，這些諧波在通過天線傳輸之前必須進(jìn)行過濾，因為它們可能會造成干擾，并且在電臺批準(zhǔn)傳輸?shù)念l率之外的頻率上進(jìn)行傳輸on可能是非法的。我們將介紹低通LC濾波器，因為無線電功率放大器只產(chǎn)生諧波，而諧波信號始終是基本信號的整數(shù)倍，因此它們的頻率始終高于基本信號——這就是我們使用低通濾波器的原因，他們讓想要的信號通過，同時消除諧波。在設(shè)計LC濾波器時，我們將討論源電阻和負(fù)載電阻而不是阻抗，因為如果負(fù)載或源具有一些串聯(lián)或并聯(lián)電感或電容，因此計算變得更加復(fù)雜。在這種情況下，最好使用PI濾波器或L濾波器計算器。在大多數(shù)情況下，例如集成電路、正確制造和調(diào)諧的天線、電視和無線電接收器、發(fā)射器等。輸出/輸入阻抗=電阻。

“Q”因子

每個LC濾波器都有一個稱為Q（品質(zhì)）因子的參數(shù)，在低通和高通濾波器中，它決定了頻率響應(yīng)的陡度。低Q濾波器將是非常寬帶的，并且不會像高Q濾波器那樣過濾掉不需要的頻率。高Q濾波器將濾除不需要的頻率，但它會有一個諧振峰值，因此它也可以用作帶通濾波器。高Q因子有時會降低效率。

L過濾器

L濾波器是最簡單的LC濾波器形式。它們由一個電容器和一個電感器組成，連接方式類似于RC濾波器中的連接方式，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L濾波器中，只有一種L和C組合可以將給定的輸入阻抗與給定的輸出阻抗相匹配。

例如，要將50Ω負(fù)載與14MHz時的100Ω負(fù)載匹配，我們需要一個560nH電感器和一個114pF電容器——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，因此濾波器的質(zhì)量等于

√（（RA/RB）-1）=Q

其中，RA是較大的阻抗，RL是較小的阻抗，Q是連接適當(dāng)負(fù)載的Q因數(shù)。

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濾波（不同的Q），我們需要PI濾波器，其中Q是完全可調(diào)的，您可以有不同的L和C組合，可以在給定頻率為您提供所需的匹配，每個都有不同的Q。

要計算L濾波器元件的值，我們需要三件事：源的輸出電阻、負(fù)載的電阻和工作頻率。

例如，源的輸出電阻為3000Ω，負(fù)載電阻為50Ω，頻率為14MHz。由于我們的源電阻大于負(fù)載電阻，我們將使用“b”濾波器

首先，我們需要計算L濾波器的兩個組件的電抗，然后我們可以根據(jù)電抗和使用頻率計算電感和電容：

XL=√（RS*（RL-RS））

XL=√（50Ω*（3000Ω-50Ω）

XL=√（50Ω*2950Ω）

XL=√147500Ω2

XL=384.1Ω

我們使用電抗計算器來確定在14MHz時具有384.1Ω電抗的電感

L=4.37μH

XC=（RS*RL）/XL

XC=（50Ω*3000Ω）/384.1Ω

XC=150000Ω2/384.1Ω

XC=390.6Ω

我們使用電抗計算器來確定在14MHz時具有390.6Ω電抗的電感

C=29.1pF

正如你所看到的，濾波器的頻率響應(yīng)是低通的，在14MHz處有一個諧振峰值，諧振峰值是由具有高Q值的濾波器引起的，如果Q值較低，則濾波器將是沒有峰值的低通濾波器。如果我們想要不同的Q，那么濾波器會更寬，我們需要使用PI濾波器，因為L濾波器的Q取決于源電阻和負(fù)載電阻。如果我們使用這個電路來匹配電子管或晶體管的輸出阻抗，我們需要從濾波器的電容器中減去輸出到地電容，因為它們是并聯(lián)的。如果我們使用集電極-發(fā)射極電容（也稱為輸出電容）為10pF的晶體管，則C的電容應(yīng)為19.1pF而不是29.1pF。

PI過濾器

PI濾波器是一種非常通用的匹配電路，它由3個電抗元件組成，通常是兩個電容器和一個電感器。與L濾波器不同，L和C的一種組合在給定頻率下提供所需的阻抗匹配，PI濾波器允許C1、C2和L的多種組合以實現(xiàn)所需的阻抗匹配，每種組合具有不同的Q。

PI濾波器更常用于需要調(diào)諧到不同負(fù)載電阻甚至復(fù)阻抗的應(yīng)用中，例如射頻功率放大器，因為它們的輸入與輸出阻抗比（ri）由電容器的平方比決定，因此當(dāng)調(diào)諧到不同的阻抗時，線圈可以保持不變，而只有電容器被調(diào)諧。RF功率放大器中的C1和C2通常是可變的。

（C1/C2）2=ri

當(dāng)我們想要更寬的濾波器時，我們使用略高于Qcrit的Q，而當(dāng)我們想要更銳利的濾波器時，例如在RF功率放大器的輸出端，我們使用比Qcrit大得多但低于10的Q，因為過濾器的Q越高，效率越低。RF輸出級中PI濾波器的典型Q值為7，但該值可能會有所不同。

Q暴擊=√（RA/RB-1）

其中：RA是兩個（源或負(fù)載）電阻中的較高者，而RB是較小的電阻。一般而言，可以將較高Q的PI濾波器視為由線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振電路，忽略阻抗匹配，電容等于：

C=（C1*C2）/（C1+C2）

該諧振電路應(yīng)在將使用濾波器的頻率下諧振。

要計算PI濾波器組件的值，我們需要四件事：源的輸出電阻、負(fù)載的電阻、工作頻率和Q。

例如，我們需要將8Ω源匹配到Q為7的75Ω負(fù)載。

RA是兩個（源或負(fù)載）電阻中的較高者，而RB是較小的電阻。

XC1=RA/Q

XC1=75Ω/7

XC1=10.7Ω

我們使用電抗計算器來確定在7MHz時具有10.7Ω電抗的電容

C1=2.12nF

XL=（Q*RA+（RA*RB/XC2））/（Q2+1）

XL=（7*75Ω+（75Ω*8Ω/3.59Ω））/72+1

XL=（575Ω+（600Ω2/3.59Ω））/50

XL=（575Ω+（167Ω））/50

XL=742Ω/50

XL=14.84Ω

我們使用電抗計算器來確定在7MHz時具有14.84Ω電抗的電感

L=340nH

XC2=RB*√（（RA/RB）/（Q2+1-（RA/RB）））

XC2=8Ω*√（（75Ω/8Ω）/（Q2+1-（75Ω/8Ω）））

XC2=8Ω*√（9.38/（49+1-3.38））

XC2=8Ω*√（9.38/46.62）

XC2=8Ω*√0.2

XC2=8Ω*0.45

XC2=3.59Ω

我們使用電抗計算器來確定在7MHz時電抗為3.59Ω的電容

C2=6.3nF

與L濾波器一樣，如果我們的輸出設(shè)備有任何輸出電容（管的板陰極，BJT的集電極到發(fā)射極，通常只是MOSFET、管和BJT的輸出電容），我們需要從C1中減去它，因為電容是與它并聯(lián)。如果我們使用具有180pF輸出電容的IRF510晶體管作為功率輸出設(shè)備，C1需要為6.3nF-0.18nF，因此為6.17nF。如果我們使用多個并聯(lián)晶體管來獲得更高的輸出功率，那么電容就會相加。

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