【導讀】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(guò)移除線(xiàn)路阻抗的電抗元件，阻抗匹配還可以提高電路穩定性，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(guò)/拒絕 dB 級別之間權衡取舍。L 型網(wǎng)絡(luò )阻抗匹配是濾波器設計的良好開(kāi)端，同時(shí)也是一種低成本、寬帶寬的濾波響應解決方案。
本文要點(diǎn)：
L 型網(wǎng)絡(luò )阻抗匹配是一個(gè)簡(jiǎn)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速度緩慢。
? 設計人員可以組合多個(gè) L 型濾波器，實(shí)現更穩健的響應以及更高的品質(zhì)因數。
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(guò)移除線(xiàn)路阻抗的電抗元件，阻抗匹配還可以提高電路穩定性，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(guò)/拒絕 dB 級別之間權衡取舍。L 型網(wǎng)絡(luò )阻抗匹配是濾波器設計的良好開(kāi)端，同時(shí)也是一種低成本、寬帶寬的濾波響應解決方案。
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 )，可以單獨使用，也可級聯(lián)以構建更復雜的濾波網(wǎng)絡(luò )，包括三元件網(wǎng)絡(luò )（即 T 和 pi）或更復雜的四元件網(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(wú)法輕易簡(jiǎn)化。無(wú)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(jiǎn)單的布局而得名：一個(gè)元件與信號線(xiàn)串聯(lián)，一個(gè)元件與信號線(xiàn)并聯(lián)，形成直角，呈現出基本的“L”形。L 型網(wǎng)絡(luò )最顯著(zhù)的優(yōu)勢是降低了元件成本，使其成為最容易實(shí)現的阻抗匹配濾波器（不包括四分之一波長(cháng)濾波器，這種濾波器因長(cháng)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(gè)”元件（同樣取決于信號源/負載）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(lái)構建其響應，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(lèi)似于方向）。
這些可能的配置對信號源電流有不同的反應：串聯(lián)電容器的 L 型濾波器將通過(guò)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(guò)；換句話(huà)說(shuō)，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，充當低通濾波器。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(xiàn)，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(lái)說(shuō)，可以將阻抗匹配視為對電阻和電抗的單獨平衡。由于整個(gè)結構本質(zhì)上類(lèi)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(luò )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，這由系統的品質(zhì)因數來(lái)體現。一般而言，L 型網(wǎng)絡(luò )濾波器被視為具有低品質(zhì)因數——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(zhù)的過(guò)阻尼特性，其響應較為平緩。從能量角度來(lái)看，每個(gè)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(luò )濾波器容易出現明顯的能量損失，并且可能會(huì )因熱損耗而影響周?chē)碗娐钒宀牧系目煽啃?。相較于具有更高品質(zhì)因數的三元件和四元件濾波器，L 型網(wǎng)絡(luò )無(wú)法提供同等的敏銳響應。
鑒于設計的性質(zhì)，L 型濾波器的品質(zhì)因數是固定的：在信號源/負載電阻之間，系統中缺乏足夠的變量。因此，品質(zhì)因數是 L 型濾波器網(wǎng)絡(luò )中的固有限制，導致其帶寬/電路響應難以滿(mǎn)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(mǎn)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——濾波器與系統設計相匹配，可以吸收任何可能通過(guò)系統傳播的雜散電抗。這種方法實(shí)現了高通濾波器設計。
? 共振——濾波器生成一個(gè)數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(shí)現了低通濾波器設計。
鑒于品質(zhì)因數的限制，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。在不同拓撲結構下，低通和高通網(wǎng)絡(luò )都可以實(shí)現。
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L 型網(wǎng)絡(luò )阻抗匹配是一種簡(jiǎn)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(zhì)因數的限制，其應用范圍相較于更廣泛、更強大的濾波器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)有所局限。為了確保信號完整性，必須仔細校準系統響應；Cadence 的 PCB 設計和分析軟件套件為生產(chǎn)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(shù)重新定向現有庫。
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