Вопрос №1. В лекции рассматриваются принципы построения и функционирования кварцевого и электромеханического фильтров

В лекции рассматриваются принципы построения и функционирования кварцевого и электромеханического фильтров.

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ

УСИЛИТЕЛИ С СОСРЕДОТОЧЕННОЙ

ЛЕКЦИЯ №19

В данной лекции продолжается рассмотрение усилителей промежуточной частоты, нагрузкой которых является сложная избирательная система – полосовой фильтр (ПФ). ПФ обладает характеристиками, которые близки к идеальным: коэффициент прямоугольности стремится к единице, форма характеристики избирательности практически прямоугольна.

Усилители с кварцевым фильтром

Для получения очень узкой полосы пропускания − Df_П ≤ 1кГц, применяют кварцевые фильтры (КФ). Известно, что некоторые естественные и искусственные кристаллы (кварц естественный и искусственный, турмалин, винокислый калий и др.) обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Если к обкладкам кварцевой пластины приложить переменное электрическое поле (напряжение), то в ней возникают собственные механические колебания с частотой этого поля. Такое свойство пластины называется обратным пьезоэффектом. Возникшие в пластине механические колебания вызывают появление на обкладках электрических зарядов, знак которых изменяется с частотой механических колебаний. В результате, через пластину будет протекать переменный электрический ток и на обкладках возникает переменная ЭДС той же частоты, что и механические колебания. Это свойство пластины называется прямым пьезоэффектом.

Таким образом, в кварцевом фильтре дважды происходит преобразование формы энергии колебательного процесса − на входе фильтр превращает электрические колебания в механические, а на его выходе происходит обратное преобразование энергии.

Из таких кристаллов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, можно изготовить резонаторы, обладающие резко выраженными резонансными свойствами.

Определение. Электромеханическая система, состоящая из кварцевой пластины, электродов и держателя, называется кварцевым резонатором.

Фильтрующие действия кварцевого резонатора основаны на резком уменьшении его полного сопротивления в узкой полосе в окрестности резонансной частоты.

КФ в отличие от электромеханических фильтров (ЭМФ) не содержат специальных электромеханических преобразователей, эти преобразования происходят непосредственно в кварцевом резонаторе. Резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя электродами.

Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом:

– при механической деформации пластины на ее поверхности появляются электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект),

– при действии электрического поля (U) в пластине возникают механические деформации (обратный пьезоэлектрический эффект) с частотой этого поля.

Кварцевый резонатор можно представить электрическим эквивалентом – последовательным колебательным контуром L_К, С_К, r_К, зашунтированным статической емкостью электродов кварцедержателя С₀ (рис.19.1).

Рис. 19.1. Кварцевый резонатор

Эквивалентный контур кварцевого резонатора обладает очень высокой добротностью, до 10⁶.

Если пренебречь потерями в эквивалентной схеме резонатора, то зависимость реактивного сопротивления контура χ (полного сопротивления резонатора) от частоты можно представить графиком (рис.19.2).

χ

f₁ f₂ f

Рис.19.2.Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты

Из курса теории электрорадиоцепей известно, что резонатор имеет две резонансные частоты:

1) частоту последовательного резонанса f₁,

2) частоту параллельного резонанса f₂.

Эти резонансные частоты показаны на рисунке 19.2. Интервал между резонансными частотами кварцевого резонатора Df = f₂– f₁влияет на характеристики кварцевого фильтра. Этот интервал можно изменять путем подключения к резонатору реактивных элементов – индуктивности или емкости. На практике доказано, что:

– подключение к резонатору индуктивности (как последовательное, так и параллельное) расширяет интервал между частотами (удаляет их друг от друга);

– подключение к резонатору емкости (как последовательное, так и параллельное) сужает интервал между частотами (сближает их);

– независимо от характера реактивного элемента (индуктивность или емкость) последовательное подключение реактивного элемента изменяет частоту последовательного резонанса, а параллельное подключение изменяет частоту параллельного резонанса.

Наибольшее распространение в кварцевых фильтрах получили мостовые схемы (мостовая схема фильтра позволяет в большей степени нейтрализовать емкость кварцедержателя С₀). Примером такого кварцевого фильтра является схема мостового однозвенного четырехкристального кварцевого фильтра (рис.19.3). В этой схеме 4 плеча. В каждом плече включен кварцевый резонатор (поэтому он называется 4-хкристальный). Вход фильтра обозначен «1-1», выход – «2-2».

Рис.19.3.Мостовая схема кварцевого фильтра

На схеме (рис.19.3) показаны:

– L_Ki, C_Ki, C_Oi (i=1, 2, 3, 4) – индуктивность, емкость, паразитная емкость кварцедержателя кварцевого резонатора, соответственно;

– С_i (i=1, 2, 3, 4) – емкость добавочного конденсатора, который служит для сбалансирования моста и от его значения зависит вид частотной характеристики фильтра.

Для построения такого фильтра выбираются кварцевые резонаторы с различными резонансными частотами в смежных (соседних) плечах. На практике используется совпадение частоты последовательного резонанса одного резонатора с частотой параллельного резонанса другого и симметричного расположения частот бесконечного затухания относительно средней частоты полосы пропускания фильтра (рис.19.4).

На рисунке 19.4 показаны χ₁ и χ₂ – реактивные сопротивления смежных плеч моста.

Частота параллельного резонанса первого резонатора (f₂) выбрана равной частоте последовательного резонанса второго резонатора (f₁) – f₂=f₁. Частоты бесконечного затухания f_¥1и f_¥2расположены симметрично относительно средней частоты полосы пропускания фильтра.

χ χ₁ χ₂

f _∞1 f '₁ f '₂ f _∞2 f

f₁ f₂

χ₁ χ₂

Рис.19.4.Зависимость реактивного сопротивления КФ от частоты

Из теории фильтров известно:

1. Если реактивные сопротивления смежных плеч моста χ₁ и χ₂ имеют одинаковые знаки и по величине приближаются одно к другому, то мост близок к положению баланса. В этом случае затухание моста очень велико и фильтр не пропускает сигналы.

2. При полном равенстве сопротивлений χ₁ и χ₂, которое возможно на некоторых частотах, наступает баланс моста и затухание становится бесконечно большим и фильтр не пропускает сигналы. Такие частоты называются частотами бесконечного затухания (f_¥1 и f_¥2).

Если реактивные сопротивления смежных плеч моста χ₁ и χ₂ имеют противоположные знаки, затухание моста очень мало, мост далек от баланса и фильтр пропускает сигналы. Полоса частот, для которой выполняется это условие, называется полосой пропускания фильтра.

Из рисунка 19.4 видно, что в промежутке частот от f₁ до f₂ реактивные сопротивления χ₁ и χ₂ имеют противоположные знаки, то есть полоса частот f₁ – f₂ будет являться полосой пропускания этого фильтра

Частотная характеристика такого фильтра будет иметь вид, показанный на рис.19.5.

При этом частоты бесконечного затухания f_¥1 и f_¥2 расположены симметрично относительно средней частоты полосы пропускания.

К

0 f

∆f_П

f_¥1 f_¥2

Рис.19.5.Частотная характеристика кварцевого фильтра

Как уже отмечалось, кварцевый резонатор имеет достаточно высокую добротность, что предопределяет возможность получения узкой полосы пропускания. Однако каскад с КФ имеет коэффициент прямоугольности, приблизительно равный коэффициенту прямоугольности одиночного контура. Поэтому каскад с КФ обеспечивает узкую полосу пропускания при плохой избирательности по соседнему каналу. Для устранения этого недостатка применяются сложные схемы КФ. Наибольшее практическое применение получили дифференциально-мостовые кварцевые фильтры (мостовые кварцевые фильтры с дифференциальными трансформаторами). Их применение объясняется тем, что по сравнению с мостовыми схемами они обладают следующими свойствами:

– содержат вдвое меньше кварцевых резонаторов (за счет замены части резонаторов обмоткой дифференциального трансформатора),

– позволяют легко осуществлять согласование КФ по входу и выходу (за счет правильного выбора коэффициента трансформации).

Дифференциально-мостовые КФ нашлиширокое применение, например, в радиоприемнике Р-680. В блоке Б2-4 (блок промежуточных частот) усилитель промежуточной частоты имеет в качестве нагрузки 2-хзвенный КФ, выполненный по дифференциально-мостовой схеме с расширительной катушкой и двумя кварцевыми резонаторами в каскадном плече. С помощью такого фильтра достигается коэффициент прямоугольности К_П1000≈1,5¸3 при полосе пропускания от десятка герц до единиц килогерц.

Коэффициент усиления каскада с мостовым КФ определяется по формуле (при условии согласования КФ по входу и выходу)

К_О = ½ р₁ р₂ Y₂₁ R e ^–Ao,

где р₁, р₂ – коэффициенты включения КФ к выходу усилительного элемента и входу следующего каскада;

Y₂₁ – крутизна характеристики усилительного элемента;

R – нагрузочное сопротивление, равное характеристическому сопротивлению фильтра (обычно 50¸150 кОм);

Ао– затухание фильтра на средней частоте полосы пропускания (e ^–Ao по существу представляет собой коэффициент передачи КФ). Для 4-х кристального КФ e ^–Ao ≈0,2÷0,3).

Достоинства КФ.

1. Высокая стабильность характеристик.

2. Широкий диапазон рабочих частот (от десятков кГц до десятков мГц).

3. Достаточно высокая температурная стабильность.

4. Возможность получения узкой полосы пропускания Df_П при достаточно хорошем коэффициенте прямоугольности.

Недостатки КФ.

1. Сложность производства.

2. Сравнительно высокая стоимость.

3. Невысокая механическая прочность.

4. Бòльшие, по сравнению с электромеханическим фильтром, геометрические размеры.

В настоящее время на одной пластине кварца создаются несколько резонаторов, связанных акустическими колебаниями пластины. Образуется многорезонаторный КФ. Такие фильтры выполняются в микроисполнении и называются интегральными полосовыми кварцевыми фильтрами (ИПКФ).

В последнее время наряду с КФ применяются пьезокерамические и пьезомеханические фильтры, резонаторы которых изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов, обладающих сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами.

Выводы по 1-му вопросу:

В целях обеспечения основной избирательности радиоприемника по соседнему каналу, как правило, используются кварцевые фильтры, а также фильтры на керамической основе (ПКФ) и интегральные полосовые кварцевые фильтры (ИПКФ).