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

Усилители с кварцевым фильтром

Для получения очень узкой полосы пропускания − f_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.

К варцевый 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 10^6.

^{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 f}₁^,

^{2) частоту параллельного резонанса f}₂^.

_{Эти резонансные частоты показаны на рисунке 19.2. Интервал между резонансными частотами кварцевого резонатора f = f2} – _{f1 влияет 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:}

_{– LKi, CKi, COi (i=1, 2, 3, 4) – индуктивность, емкость, паразитная емкость кварцедержателя кварцевого резонатора, соответственно;}

_{– Сi (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_1 и f_{2 расположены симметрично относительно средней частоты полосы пропускания фильтра.}

^{χ χ}₁ ^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);

А_о – 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 f_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).