技術(shù)資訊 | 利用兩個(gè)元件實(shí)現(xiàn) L 型網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配

耀創(chuàng)深圳

本文要點(diǎn)
L 型網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配是一個(gè)簡單的濾波器，由兩個(gè)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(yīng)速度緩慢。
設(shè)計(jì)人員可以組合多個(gè) L 型濾波器，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的響應(yīng)以及更高的品質(zhì)因數(shù)。




阻抗匹配是電路功耗（傳輸和損耗）的一個(gè)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(shè)備。尋找理想的阻抗匹配解決方案并非易事，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員必須在響應(yīng)范圍與通過/拒絕 dB 級別之間權(quán)衡取舍。L 型網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配是濾波器設(shè)計(jì)的良好開端，同時(shí)也是一種低成本、寬帶寬的濾波響應(yīng)解決方案。


L 型網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配只需兩個(gè)電抗元件

如何構(gòu)建 L 型網(wǎng)絡(luò)濾波器

L 型網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)雙元件濾波網(wǎng)絡(luò)，可以單獨(dú)使用，也可級聯(lián)以構(gòu)建更復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，包括三元件網(wǎng)絡(luò)（即 T 和 pi）或更復(fù)雜的四元件網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，偽四元件網(wǎng)絡(luò)（實(shí)際上是將中間兩個(gè)元件并聯(lián)或串聯(lián)，起到三元件網(wǎng)絡(luò)的作用）與真正的四元件網(wǎng)絡(luò)之間存在重大區(qū)別。偽四元件網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)鏡像 L 型網(wǎng)絡(luò)組成，而真正的四元件網(wǎng)絡(luò)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(luò)都是這些濾波網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分。

L 型網(wǎng)絡(luò)因其簡單的布局而得名：一個(gè)元件與信號線串聯(lián)，一個(gè)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(luò)最顯著的優(yōu)勢是降低了元件成本，使其成為最容易實(shí)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(luò)濾波器，我們可以從兩個(gè)方面入手：方向和元件電抗。濾波網(wǎng)絡(luò)可以使用并聯(lián)-串聯(lián)結(jié)構(gòu)（即并聯(lián)元件距離信號源最近/距離負(fù)載最遠(yuǎn)）或反之亦然，該結(jié)構(gòu)中的“第一個(gè)”元件（同樣取決于信號源/負(fù)載）可以是電感器或電容器。請注意，L 型網(wǎng)絡(luò)利用電感器和電容器來構(gòu)建其響應(yīng)，因此在確定了其中一個(gè)元件的電抗后，另一個(gè)元件的電抗便會(huì)隨之確定（類似于方向）。

L/CL 濾波器配置

第一個(gè)元件	第二個(gè)元件	濾波器響應(yīng)
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有不同的反應(yīng)：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(huì)在高頻時(shí)短路到地，充當(dāng)?shù)屯�濾波器。然而，并聯(lián)和串聯(lián)方向也會(huì)影響濾波器的整體阻抗曲線，其中并聯(lián)元件決定實(shí)際電阻，串聯(lián)元件則決定串聯(lián)電抗。從這個(gè)意義上來說，可以將阻抗匹配視為對電阻和電抗的單獨(dú)平衡。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)本質(zhì)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(fù)載之間較大的電阻值，從而達(dá)到匹配的目的。

L 型網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配約束

任何濾波器設(shè)計(jì)都必須在響應(yīng)帶寬和響應(yīng)銳度之間找到平衡，這由系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)來體現(xiàn)。一般而言，L 型網(wǎng)絡(luò)濾波器被視為具有低品質(zhì)因數(shù)——它們在載波頻率附近相對較大的帶寬內(nèi)運(yùn)行良好，但由于顯著的過阻尼特性，其響應(yīng)較為平緩。從能量角度來看，每個(gè)振蕩周期內(nèi)存儲(chǔ)的能量與耗散的能量之間的比率較低，因此，L 型網(wǎng)絡(luò)濾波器容易出現(xiàn)明顯的能量損失，并且可能會(huì)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(zhì)因數(shù)的三元件和四元件濾波器，L 型網(wǎng)絡(luò)無法提供同等的敏銳響應(yīng)。

鑒于設(shè)計(jì)的性質(zhì)，L 型濾波器的品質(zhì)因數(shù)是固定的：在信號源/負(fù)載電阻之間，系統(tǒng)中缺乏足夠的變量。因此，品質(zhì)因數(shù)是 L 型濾波器網(wǎng)絡(luò)中的固有限制，導(dǎo)致其帶寬/電路響應(yīng)難以滿足特定應(yīng)用的需求。設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

吸收——濾波器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了高通濾波器設(shè)計(jì)。
共振——濾波器生成一個(gè)數(shù)值相等但符號相反的電抗，以抵消負(fù)載/源的電抗。這種方法實(shí)現(xiàn)了低通濾波器設(shè)計(jì)。

鑒于品質(zhì)因數(shù)的限制，L 型濾波器不同于 T/pi 濾波器，不會(huì)對頻率施加固有的限制。在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，低通和高通網(wǎng)絡(luò)都可以實(shí)現(xiàn)。

利用 Cadence 軟件
快速設(shè)計(jì)濾波器

L 型網(wǎng)絡(luò)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(diào)諧頻率方面具有寬帶寬的應(yīng)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(zhì)因數(shù)的限制，其應(yīng)用范圍相較于更廣泛、更強(qiáng)大的濾波器網(wǎng)絡(luò)來說有所局限。為了確保信號完整性，必須仔細(xì)校準(zhǔn)系統(tǒng)響應(yīng)；Cadence 的 PCB 設(shè)計(jì)和分析軟件套件為生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)的新庫，同步 ECAD/MCAD 庫，并輕松為不同技術(shù)重新定向現(xiàn)有庫。

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