技术资讯 | 利用两个元件实现 L 型网络阻抗匹配

耀创深圳

本文要点
L 型网络阻抗匹配是一个简单的滤波器，由两个电抗元件组成。
L 型滤波器具有较宽的带宽，但在载波频率下响应速度缓慢。
设计人员可以组合多个 L 型滤波器，实现更稳健的响应以及更高的品质因数。




阻抗匹配是电路功耗（传输和损耗）的一个基本主题，也是提高整体性能的有效手段。通过移除线路阻抗的电抗元件，阻抗匹配还可以提高电路稳定性，降低驻波的影响，避免因能量反射而损坏设备。寻找理想的阻抗匹配解决方案并非易事，因为设计人员必须在响应范围与通过/拒绝 dB 级别之间权衡取舍。L 型网络阻抗匹配是滤波器设计的良好开端，同时也是一种低成本、宽带宽的滤波响应解决方案。


L 型网络阻抗匹配只需两个电抗元件

如何构建 L 型网络滤波器

L 型网络是一个双元件滤波网络，可以单独使用，也可级联以构建更复杂的滤波网络，包括三元件网络（即 T 和 pi）或更复杂的四元件网络。需要注意的是，伪四元件网络（实际上是将中间两个元件并联或串联，起到三元件网络的作用）与真正的四元件网络之间存在重大区别。伪四元件网络由两个镜像 L 型网络组成，而真正的四元件网络则使用级联 L 型滤波器，中间元件无法轻易简化。无论如何，L 型网络都是这些滤波网络的基本组成部分。

L 型网络因其简单的布局而得名：一个元件与信号线串联，一个元件与信号线并联，形成直角，呈现出基本的“L”形。L 型网络最显著的优势是降低了元件成本，使其成为最容易实现的阻抗匹配滤波器（不包括四分之一波长滤波器，这种滤波器因长度限制，仅能在高频下有效地工作。）要了解 L 型网络滤波器，我们可以从两个方面入手：方向和元件电抗。滤波网络可以使用并联-串联结构（即并联元件距离信号源最近/距离负载最远）或反之亦然，该结构中的“第一个”元件（同样取决于信号源/负载）可以是电感器或电容器。请注意，L 型网络利用电感器和电容器来构建其响应，因此在确定了其中一个元件的电抗后，另一个元件的电抗便会随之确定（类似于方向）。

L/CL 滤波器配置

第一个元件	第二个元件	滤波器响应
并联电容器	串联电感器	低通
并联电感器	串联电容器	高通
串联电容器	并联电感器	高通
串联电感器	并联电容器	低通

这些可能的配置对信号源电流有不同的反应：串联电容器的 L 型滤波器将通过并联电感器将电流分流到地，从而阻止低频信号（即直流电）通过；换句话说，它起到高通滤波器的作用。相反，并联电容器会在高频时短路到地，充当低通滤波器。然而，并联和串联方向也会影响滤波器的整体阻抗曲线，其中并联元件决定实际电阻，串联元件则决定串联电抗。从这个意义上来说，可以将阻抗匹配视为对电阻和电抗的单独平衡。由于整个结构本质上类似于分压器，并联元件相对于串联元件的排列方式取决于信号源与负载之间较大的电阻值，从而达到匹配的目的。

L 型网络阻抗匹配约束

任何滤波器设计都必须在响应带宽和响应锐度之间找到平衡，这由系统的品质因数来体现。一般而言，L 型网络滤波器被视为具有低品质因数——它们在载波频率附近相对较大的带宽内运行良好，但由于显著的过阻尼特性，其响应较为平缓。从能量角度来看，每个振荡周期内存储的能量与耗散的能量之间的比率较低，因此，L 型网络滤波器容易出现明显的能量损失，并且可能会因热损耗而影响周围元件和电路板材料的可靠性。相较于具有更高品质因数的三元件和四元件滤波器，L 型网络无法提供同等的敏锐响应。

鉴于设计的性质，L 型滤波器的品质因数是固定的：在信号源/负载电阻之间，系统中缺乏足够的变量。因此，品质因数是 L 型滤波器网络中的固有限制，导致其带宽/电路响应难以满足特定应用的需求。设计人员希望确保 L 型滤波器的有限范围能够合理地满足电路的性能需求。另外需要注意的是，滤波器去除多余能量的方式可能有所不同，具体方法的效果通常取决于拓扑结构：

吸收——滤波器与系统设计相匹配，可以吸收任何可能通过系统传播的杂散电抗。这种方法实现了高通滤波器设计。
共振——滤波器生成一个数值相等但符号相反的电抗，以抵消负载/源的电抗。这种方法实现了低通滤波器设计。

鉴于品质因数的限制，L 型滤波器不同于 T/pi 滤波器，不会对频率施加固有的限制。在不同拓扑结构下，低通和高通网络都可以实现。

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L 型网络阻抗匹配是一种简单的滤波器匹配方法，虽然不具备特异性，但在调谐频率方面具有宽带宽的应用优势。尽管 L 型滤波器在元件成本和电路板空间方面具有竞争力，但由于品质因数的限制，其应用范围相较于更广泛、更强大的滤波器网络来说有所局限。为了确保信号完整性，必须仔细校准系统响应；Cadence 的 PCB 设计和分析软件套件为生产团队提供了丰富的 ECAD 功能。利用 allegro X ECAD-MCAD Library Creator，快速创建符合标准的新库，同步 ECAD/MCAD 库，并轻松为不同技术重新定向现有库。

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