книги / Усилители промежуточной частоты
..pdfв)
Рис. 6.7. Балансный фильтр сосредоточенной избирательности:
а — блок-схема; б — принципиальная схема фильтра с фазирующей индуктив ностью; в — принципиальная схема фильтра с фазирующей емкостью.
Рис. 6.8. Резонансные кривые
обычного и балансного ФСИ.
6.5. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ
Резонаторы пьезоэлектрических фильтров изготовля ются из кристаллов природного или синтетического квар ца, виннокислого калия, виннокислого этилендиамина, а также из пьезокерамики (твердые растворы метанио-
батов свинца и бария |
и др.). Такой резонатор |
может |
||||||||
|
|
|
|
быть |
представлен |
в |
виде |
|||
|
|
|
|
некоторой |
электрической |
|||||
|
|
|
|
цепи |
(схемы |
замещения |
||||
|
|
Со |
|
резонатора), |
состоящей |
|||||
|
|
|
из |
последовательно |
со |
|||||
|
|
ч ь |
|
единенных |
индуктивности |
|||||
Рис. |
6.9. |
Эквивалентная |
схема |
L, |
емкости |
С (динамиче |
||||
|
пьезорезонатора. |
|
ской |
емкости), |
резистора |
|||||
|
|
|
|
г, |
характеризующего |
не |
||||
зонаторе, |
|
|
обратимые |
потери |
в |
ре |
||||
и параллельной (статической) |
емкости |
Со — |
||||||||
емкости -конденсатора, |
образованной |
между |
электрода |
|||||||
ми |
(рис. |
6.9). |
резонаторы |
отличаются весьма |
||||||
Пьезоэлектрические |
малым затуханием (порядка 10*“4—10~6), высокой ста бильностью параметров и изготовляются для частот от сотен герц до десятков мегагерц.
Как следует из эквивалентной схемы (рис. 6.9) резо натор имеет резонансные частоты: Д1С= l/27u]/LC — по следовательного и /ир = /пс Y \ -\-С ! С0 — параллельного резонансов.
На пьезоэлектрических резонаторах могут быть со зданы весьма эффективные ФСИ. Анализ схем, содержа щих пьезоэлектрические резонаторы, сводится к анализу чисто электрических цепей путем замены пьезоэлектри ческого резонатора его схемой замещения. После этого пьезоэлектрический фильтр превращается в обычную электрическую цепь, к которой целиком применимы тео рия четырехполюсника и обычные приемы анализа и син теза фильтров.
Изложение основ теории и расчета пьезоэлектриче ских ФСИ выходит за рамки настоящей книги и являет ся предметом ряда опубликованных книг и статей [10 и библиография в ней]. Ограничимся рассмотрением не скольких схем фильтров.
Примером простейшего пьезокерамического ФСИ мо жет служить кварцевый фильтр (рис. 6.10), предназна ченный для обеспечения очень узкой полосы пропуска ния. Основной деталью такого фильтра является квар цевый резонатор КВ, эквивалентный последовательному колебательному контуру с весьма высокой доброт-
fi)
Рис. 6.10. Узкополосный пьезоэлектрический фильтр:
а — принципиальная схема; в — эквивалентная схема; в — частотная характе ристика фильтра.
костью. Для создания фильтра используют резкое умень шение сопротивления кварцевого фильтра в узкой поло се в окрестности резонансной частоты. С целью умень шения влияния емкости кварцедержателя кварцевый фильтр выполняется в виде мостовой схемы, образован ной конденсаторами Со, Сп и емкостью кварцедержателя С0. Входное напряжение сигнала с катушки L2 подво дится к одной диагонали моста, выходное напряжение снимается со второй диагонали. Баланс мостовой схемы имеет место па частоте подавления /ш на которой полное
213
сопротивление кварца имеет емкостный характер. При этом напряжение на выходе фильтра равно нулю. Для других частот баланс моста нарушается и на выходе фильтра появляется напряжение. Оно достигает макси мума на резонансной частоте кварцевого резонатора
Рис. 6.11. Кривая избирательности 8-резонаторного пьезоэлектриче
ского ФСИ.
/ р = / о = / пс - Изменение емкости С„ не влияет на частоту f„c но сильно изменяет частоту подавления fn. Узкопо лосный кварцевый ФСИ переключателем П переводится в двухконтурный полосовой фильтр.
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 6.4 |
|
Параметры |
двух |
типов пьезоэлектрических фильтров |
|||||
Параметры фильтра |
Тип фильтра |
||||||
ПФ1П-М |
ПФ1П-2 |
||||||
|
|
|
|
|
|||
Средняя |
частота |
полосы |
пропуска |
465±1,8 |
465+2 |
||
ния, кщ |
пропускания на уровне |
7—9,5 |
- 1 , 8 |
||||
Полоса |
8,5— 12,5 |
||||||
ая = 0 ,5 |
|
|
|
|
46 |
40 |
|
Ослабление Qn% дб при |
расстройке |
||||||
ФЦ (не |
менее) |
|
2 |
2 |
|||
Неравномерность вершины резонанс |
|||||||
ной кривой4ар, дб не более |
0,4 |
0,4 |
|||||
Коэффициент |
передачи |
напряже- |
|||||
ния'ТСфА не |
менее |
|
|
|
|
||
Номинальное |
значение входного ха |
1 , 2 |
1,2 |
||||
рактеристического сопротивления pit |
|
|
|||||
ком |
|
|
|
|
600 |
600 |
|
Номинальное |
значение |
выходного |
|||||
характеристического |
сопротивления |
|
|
||||
Pit ом |
|
|
|
|
|
|
|
Габаритные размеры, мм |
|
37X 24X 11 |
37Х 24Х П |
||||
Вес, г |
|
|
|
|
10 |
10 |
На рис. 6.11 показана схема и характеристика избщ рательности 8-резо.чаторного фильтра типа ПФ1П из ма териала КНБС-47 (твердые растворы метаниобатов свин ца и бария), имеющих форму дисков толщиной 0,5— 1 мм, диаметром 5,8 мм.
Основные характеристики двух типов фильтров при ведены в табл. 6.4 [19].
Для согласования фильтра с преобразователем часто ты и УПЧ удобно использовать колебательные контуры (см. рис. 6.3,в). Коэффициент усиления преобразователя частоты по промежуточной частоте вычисляется по фор муле (6.16).
6.6. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Принцип действия электромеханического фильтра (ЭМФ) основан на использовании резонанса механиче ских колебаний для фильтрации радиотехнических сиг налов. Главным в ЭМФ является весьма малое затуха-
Лреобразователь |
УПЧ |
частоты |
Фильтрующая система
Рис. 6.12. Принципиальная схема электромеханического фильтра
(ЭМФ).
ние механических резонаторов (до 10-5), а также малые габариты и вес. Из-за технологических ограничений в настоящее время ЭМФ изготовляются на частоты ниже 1 Мгц.
Схематическое устройство ЭМФ показано на рис. 6.12. Он включает в себя входной магнитострикциэнный пре
образователь электрических |
колебаний |
в |
механические |
1, фильтрующую систему, |
состоящую |
из |
цепочечного |
соединения механических резонаторов, и выходной маг. нитострикциониый преобразователь механических коле баний в электрические 2. Оба магнитострикционных пре образователя имеют идентичное устройство. Катушки Li, L2 охватывают сердечник 3 с большим коэффициент том магнитострикции (никель, сплав, К-65, ферриты) ц помещены в поле постоянного магнита, обеспечивающего
|
необходимое |
смещение |
для |
||||
|
получения |
линейного |
пре- |
||||
|
образования |
|
при |
макси- |
|||
|
мальной эффективности маг- |
||||||
|
нитострикционного |
преоб |
|||||
|
разования. |
|
|
колебания |
|||
|
Механические |
||||||
|
входного |
сердечника |
преоб |
||||
|
разователя |
передаются |
по |
||||
|
цепи механических резисто |
||||||
|
ров 5, соединенных связками |
||||||
|
6, на сердечник выходного |
||||||
|
магнитострикционного |
|
пре |
||||
Рис. 6.13. Кривые избиратель |
образователя. В процессе пе |
||||||
редачи колебаний |
в |
филь |
|||||
ности 7- и 9-резоиаториых |
трующей |
системе |
обеспечи |
||||
ЭМФ. |
|||||||
|
вается весьма |
эффективная |
|||||
|
частотная |
избирательность. |
Типичная характеристика избирательности ЭМФ пока зана на рис. 6.13.
На выходе фильтра происходит преобразование энер гии механических колебаний в энергию электрических колебаний, которые с катушки L2 поступают на вход первого каскада УПЧ.
Резонаторы ЭМФ могут использозать механические колебания различных видов: продольные, крутильные, колебания сдвига. Резонаторы и связки изготовляются из специальных сплавов, обеспечивающих высокую ста бильность их параметров.
Электрически ЭхМФ эквивалентен многозвенному LCфильтру' с очень малыми собственными затуханиями, что обеспечивает форму кривой избирательности, близкую к идеальной прямоугольной. Количество звеньев ЭМФ равно числу резонаторов, включая сердечники магнито
стрикционных |
преобразователей. Согласование |
ЭМФ |
|
с преобразователем частоты и |
первым каскадом |
УПЧ |
|
обеспечивается |
колебательными |
контурами LiCi и L2C2. |
Т а б л и ц а 6.5
|
Ппоп метры фильтра |
|
|
Тип фильтра |
|
|||
|
|
ЭМФП-5-465-6 |
ЭМФП-5-465-9 |
ЭМФП-5-465-13 |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Количество звеньев |
|
5 |
5 |
5 |
||||
Средняя |
частота |
полосы |
465+1,5 |
465+1,5 |
465+1,5 |
|||
пропускания, кгц |
|
|
5,64-6,4 |
8,44-9,6 |
|
|||
Полоса |
пропускания |
на |
12,24-13,8 |
|||||
уровне |
оп= 0 ,7 , |
кгц |
|
|
56 |
42 |
26 |
|
Ослабление |
при рас- |
|||||||
стройке âfa± \0 |
кгц, |
дб, не |
|
|
|
|||
менее |
|
|
|
|
|
2,5 |
3.0 |
3.5 |
Неравномерность |
верши |
|||||||
ны резонансной кривой в пре |
|
|
|
|||||
делах |
полосы |
пропускания |
|
|
|
|||
ор не менее, дб |
|
|
|
|
0,45 |
0,4 |
||
Коэффициент передачи |
но |
0,38 |
||||||
напряжению |
не |
менее |
|
С, = 300 |
С \= 300 |
|||
Номинальные емкости кон |
С, = 300 |
|||||||
денсаторов настройки фильт |
С2= 1 500 |
-С 2=2200 |
С2=3300 |
|||||
ра, пф |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
Ном |
нальное значение вы |
1 |
||||||
ходной |
проводимости |
преоб |
|
|
|
|||
разователя |
частоты, |
мсам |
|
0,1 |
0,1 |
|||
Номинальное |
значение |
0 ,1 |
||||||
проводимости нагрузки, |
|
|
|
|
||||
мсам |
|
|
|
|
|
|
|
|
Габариты, мм |
|
|
|
30X 5X 5 |
30X 5X 5 |
30X 5X 5 |
||
Вес, |
г |
|
|
|
|
2,5 |
2,5 |
2,5 |
Последние из-за потерь в сердечнике мапштострикционпых преобразователей имеют сравнительно большое за тухание (порядка 0,1—0,2), что допускает часто полное включение контуров. Коэффициент усиления преобразо вателя частоты с ЭМФ по промежуточной частоте вы числяется по формуле (6.6). Параметры нескольких ти пов ЭМФ, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 6.5 [19].
6.7. ПЬБЗОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ
Звено пьезомеханического фильтра (ПМФ) состоит из двух пьезоэлектрических 1 резонаторов, соединенных механической связкой 2 рнс. 6.14,а. Резонаторы изготов ляются в виде дисков из пьезокерамики ЦТС-бОв (тита- нат-цирконат свинца). Эквивалентная схема звена ПМФ
показана на рис. 6.14,6 [19], где Со, С, L, г —динамиче ские и статические емкости, индуктивности и сопротив ления пьезоэлектрических резонаторов; Т-образный че тырехполюсник (z\, z2, Zi) является электрической схе мой замещения связки. Сопротивления zif z2 определя ются механическими свойствами связки и ее размерами.
Рис. 6.14. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы.
Характеристика избирательности ПМФ сходна с ана логичной характеристикой ЭМФ (см. рис. 6.13). Пара метры четырех типов ПМФ, выпускаемых промышлен ностью, приведены в табл. 6.6 [19].
Т а б л и ц а 6.6
Параметры четырех типов ПФМ
Параметры фильтра
Количество звеньев Средняя частота полосы
пропускания, кгц Полоса пропускания на
уровне 6 дб, кгц Ослабление при расстрой
ке àfg= ztlO кгц, не менее
Неравномерность резо нансной кривой в пределах полосы пропускания, д б , не более.
Коэффициент передачи по напряжению не менее
Номинальное значение вы ходной проводимости преоб разователя частоты, мсим Номинальное значение проводимости нагрузки, мсим Габариты (диаметр и дли
на, мм) Вес, г
Интервал рабочих темпе ратур
Тип фильтра
ПФ1П-4-1 ПФ1П-4-2 ПФ1П-4-Э: ПФ1П-5-3
1 |
2 |
3 |
13 |
465+2 |
465+2 |
465± 2 |
*4б5 £ 2 |
7— 10 |
7— 10 |
Г о |
9— 14 |
16 |
24 |
34 |
26 |
1 |
2 |
4 |
4 |
0,67 |
0,45 |
0,25 |
0.25 |
0.5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9X 9 |
9X 10,5 |
9X 23,5 |
9X 23,5 |
1 .8 |
3,3 |
4 .7 |
4 .7 |
|
от — 10* рЮ + 5 0 *С |
|
ПМФ, так же как и пьезоэлектрический фильтр, не обладает трансформирующими свойствами. Для согла сования с преобразователем частоты и первым каскадом УПЧ применяются методы, рассмотренные в § 6.2. Ко эффициент усиления по напряжению преобразователя частоты на промежуточной частоте вычисляется по фор мулам (6.6) или (6.10).
6.8. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРИМЕР РАСЧЕТА УПЧ С МНОГОЗВЕННЫМ LC -ФИЛЬТРОМ
Исходные данные:
Номинальная промежуточная частота /о=465 кгц\ полоса пропу скания на уровне 3 дб Пп = Ю кгц\ расстройка, соответствующая со
седнему каналу, |
А/0== 10 |
кгц\ ослабление |
соседнего |
канала |
ап — |
||
= — 45 |
дб, собственные затухания контурных* катушек |
фильтра d= |
|||||
=0,004; |
коэффициент связи катушек в броневом сердечнике |
типа |
|||||
СБ-2а |
£=0,9; |
параметры |
преобразователя |
частоты: |
S n= l 5 |
мсим, |
|
£вы хп=0,067 |
мсим, Свыхп= 20 пф, параметры транзистора |
типа |
|||||
ГТ308 первого каскада УПЧ gn=2 мсим, Сц = 100 пф. |
|
|
|||||
Принимаем ФСИ на звеньях типа 4 с характеристическим сопро |
|||||||
тивлением р = 2 0 |
ком. |
|
|
|
|
||
Расчет |
|
|
|
|
|
|
1. Проверка целесообразности применения ФСИ
d < f ^ = 4 6 5 ! b r 0'0152> 0-3004-
Применение ФСИ целесообразно.
2 . Вычисление вспомогательных величин
àf0 |
10 |
|
|
Уi = 2 пя |
-= 2 ■10 |
= 2 |
, |
_ 2 - 465-0,004 |
|
||
|
10 |
= |
0,38. |
3. По графику на рис. 6.15,а находим затухание одного звена
<Ji= — 10 дб.
4.Необходимое количество звеньев
-4 5
|
N |
— 10= |
4,5. |
Принимаем |
5. |
Принципиальная |
схема ФСИ показана на |
рис. 6.4,6. |
|
|
|
Рис. 6.15. Графики для расчета параметров многозвенного ФСИ па
звеньях |
типа 4: |
|
|
|||
а — обобщенные резонансные кривые; |
б — зависимость коэффициента пере' |
|||||
дачи |
от числа |
звеньев. |
|
|
||
5. Коэффициенты трансформации контуров крайних звеньев |
||||||
m‘~V е .„ , „р |
“ V0,067.20 |
” |
0 '87’ |
|||
” . = ■ / 7 |
S |
- V |
W |
- |
0’16- |
|
6. Емкости конденсаторов связи звеньев |
|
|
||||
10е |
_ |
|
10° |
|
„ |
|
С - 2nf0p |
|
6,28-465.20 “ |
17 п*- |
|||
7. Емкости контуров серединных звеньев |
|
|
||||
10е |
|
10° |
|
|
|
лц„р — 3 , 1 4 . 1Q.20 |
1600 п$' |