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利用兩個元件實現(xiàn) L 型網(wǎng)絡阻抗匹配

深圳(耀創(chuàng))電子科技有限公司 ? 2024-12-20 18:57 ? 次閱讀
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本文要點

L 型網(wǎng)絡阻抗匹配是一個簡單的濾波器,由兩個電抗元件組成。

L 型濾波器具有較寬的帶寬,但在載波頻率下響應速度緩慢。

設計人員可以組合多個 L 型濾波器,實現(xiàn)更穩(wěn)健的響應以及更高的品質因數(shù)。

阻抗匹配是電路功耗(傳輸和損耗)的一個基本主題,也是提高整體性能的有效手段。通過移除線路阻抗的電抗元件,阻抗匹配還可以提高電路穩(wěn)定性,降低駐波的影響,避免因能量反射而損壞設備。尋找理想的阻抗匹配解決方案并非易事,因為設計人員必須在響應范圍與通過/拒絕 dB 級別之間權衡取舍。L 型網(wǎng)絡阻抗匹配是濾波器設計的良好開端,同時也是一種低成本、寬帶寬的濾波響應解決方案。

L 型網(wǎng)絡阻抗匹配只需兩個電抗元件

如何構建 L 型網(wǎng)絡濾波器

L 型網(wǎng)絡是一個雙元件濾波網(wǎng)絡,可以單獨使用,也可級聯(lián)以構建更復雜的濾波網(wǎng)絡,包括三元件網(wǎng)絡(即 T 和 pi)或更復雜的四元件網(wǎng)絡。需要注意的是,偽四元件網(wǎng)絡(實際上是將中間兩個元件并聯(lián)或串聯(lián),起到三元件網(wǎng)絡的作用)與真正的四元件網(wǎng)絡之間存在重大區(qū)別。偽四元件網(wǎng)絡由兩個鏡像 L 型網(wǎng)絡組成,而真正的四元件網(wǎng)絡則使用級聯(lián) L 型濾波器,中間元件無法輕易簡化。無論如何,L 型網(wǎng)絡都是這些濾波網(wǎng)絡的基本組成部分。

L 型網(wǎng)絡因其簡單的布局而得名:一個元件與信號線串聯(lián),一個元件與信號線并聯(lián),形成直角,呈現(xiàn)出基本的“L”形。L 型網(wǎng)絡最顯著的優(yōu)勢是降低了元件成本,使其成為最容易實現(xiàn)的阻抗匹配濾波器(不包括四分之一波長濾波器,這種濾波器因長度限制,僅能在高頻下有效地工作。)要了解 L 型網(wǎng)絡濾波器,我們可以從兩個方面入手:方向和元件電抗。濾波網(wǎng)絡可以使用并聯(lián)-串聯(lián)結構(即并聯(lián)元件距離信號源最近/距離負載最遠)或反之亦然,該結構中的“第一個”元件(同樣取決于信號源/負載)可以是電感器電容器。請注意,L 型網(wǎng)絡利用電感器和電容器來構建其響應,因此在確定了其中一個元件的電抗后,另一個元件的電抗便會隨之確定(類似于方向)。

L/CL 濾波器配置

第一個元件

第二個元件

濾波器響應

并聯(lián)電容器

串聯(lián)電感器

低通

并聯(lián)電感器

串聯(lián)電容器

高通

串聯(lián)電容器

并聯(lián)電感器

高通

串聯(lián)電感器

并聯(lián)電容器

低通

這些可能的配置對信號源電流不同的反應:串聯(lián)電容器的 L 型濾波器將通過并聯(lián)電感器將電流分流到地,從而阻止低頻信號(即直流電)通過;換句話說,它起到高通濾波器的作用。相反,并聯(lián)電容器會在高頻時短路到地,充當?shù)屯V波器。然而,并聯(lián)和串聯(lián)方向也會影響濾波器的整體阻抗曲線,其中并聯(lián)元件決定實際電阻,串聯(lián)元件則決定串聯(lián)電抗。從這個意義上來說,可以將阻抗匹配視為對電阻和電抗的單獨平衡。由于整個結構本質上類似于分壓器,并聯(lián)元件相對于串聯(lián)元件的排列方式取決于信號源與負載之間較大的電阻值,從而達到匹配的目的。

L 型網(wǎng)絡阻抗匹配約束

任何濾波器設計都必須在響應帶寬和響應銳度之間找到平衡,這由系統(tǒng)的品質因數(shù)來體現(xiàn)。一般而言,L 型網(wǎng)絡濾波器被視為具有低品質因數(shù)——它們在載波頻率附近相對較大的帶寬內運行良好,但由于顯著的過阻尼特性,其響應較為平緩。從能量角度來看,每個振蕩周期內存儲的能量與耗散的能量之間的比率較低,因此,L 型網(wǎng)絡濾波器容易出現(xiàn)明顯的能量損失,并且可能會因熱損耗而影響周圍元件和電路板材料的可靠性。相較于具有更高品質因數(shù)的三元件和四元件濾波器,L 型網(wǎng)絡無法提供同等的敏銳響應

鑒于設計的性質,L 型濾波器的品質因數(shù)是固定的:在信號源/負載電阻之間,系統(tǒng)中缺乏足夠的變量。因此,品質因數(shù)是 L 型濾波器網(wǎng)絡中的固有限制,導致其帶寬/電路響應難以滿足特定應用的需求。設計人員希望確保 L 型濾波器的有限范圍能夠合理地滿足電路的性能需求。另外需要注意的是,濾波器去除多余能量的方式可能有所不同,具體方法的效果通常取決于拓撲結構:

吸收——濾波器與系統(tǒng)設計相匹配,可以吸收任何可能通過系統(tǒng)傳播的雜散電抗。這種方法實現(xiàn)了高通濾波器設計。

共振——濾波器生成一個數(shù)值相等但符號相反的電抗,以抵消負載/源的電抗。這種方法實現(xiàn)了低通濾波器設計。

鑒于品質因數(shù)的限制,L 型濾波器不同于 T/pi 濾波器,不會對頻率施加固有的限制。在不同拓撲結構下,低通和高通網(wǎng)絡都可以實現(xiàn)。

利用 Cadence 軟件

快速設計濾波器

L 型網(wǎng)絡阻抗匹配是一種簡單的濾波器匹配方法,雖然不具備特異性,但在調諧頻率方面具有寬帶寬的應用優(yōu)勢。盡管 L 型濾波器在元件成本和電路板空間方面具有競爭力,但由于品質因數(shù)的限制,其應用范圍相較于更廣泛、更強大的濾波器網(wǎng)絡來說有所局限。為了確保信號完整性,必須仔細校準系統(tǒng)響應;Cadence 的 PCB 設計和分析軟件套件為生產團隊提供了豐富的 ECAD 功能。利用 Allegro X ECAD-MCAD Library Creator,快速創(chuàng)建符合標準的新庫,同步 ECAD/MCAD 庫,并輕松為不同技術重新定向現(xiàn)有庫。

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