9.3 Смугові каскади

Основними параметрами смугового підсилювача (СП) є

• резонансний коефіцієнт підсилення K₀;

• смуга пропускання ΔF, вибірність за сусіднім каналом S_cк;

• коефіцієнт прямокутності К_П, що характеризує форму резонансної характеристики СП.

Останній параметр визначається виразом

, (9.7)

де ΔF_у – смуга пропускання СП при заданому рівні відліку (звичайно 0,1 чи 0,01).

За принципом функціонування СП поділяють на дві групи:

1) СП, що реалізують принцип рівномірного розподілу функції підсилення і вибірності;

2) СП, що реалізують принцип зосередженого поділу функції підсилення і вибірності.

Перевагами СП першого типу є відносна простота виготовлення, настроювання і регулювання. До їх недоліків варто віднести:

• низьку стійкість тракту з декількох таких СП, що призводить до необхідності застосування засобів нейтралізації Y₁₂ й зумовлює ускладнення схеми;

• залежність частотних характеристик усього тракту від параметрів ПЕ, що виявляється при їхній заміні.

СП другого типу вільні від заначених недоліків і забезпечують додаткові можливості:

• високий і стійкий коефіцієнт підсилення тракту, за рахунок використання аперіодичних каскадів, що забезпечують основне підсилення;

• високу вибірність, що забезпечується використанням ефективних фільтрів зосередженої селекції;

• високу завадозахищеність тракту;

• можливість мікромініатюризації.

Смугові каскади для трактів з рівномірним розподілом функції підсилення і вибірності

Особливістю СП, на відміну від підсилювача радіочастоти, є робота на фіксованій частоті. Резонансний коефіцієнт підсилення одноконтурного СП може бути визначений з виразу

, (9.8)

мінімальне значення ємності С_к контуру одноконтурного СП, припустиме з точки зору стабільності його характеристик, дорівнює

, (9.9)

де ;

і – значення розкиду ємностей з виходу даного ПЕ і входу ПЕ наступного каскаду;

–припустимий зсув резонансної частоти, зумовлений названим розкидом.

Іншим різновидом каскаду СП, є СП із двоконтурним смуговим фільтром (рис. 9.7), резонансний коефіцієнт підсилення якого

, (9.10)

де – фактор (параметр) зв'язку;

К_св – коефіцієнт зв'язку.

Рисунок 9.7 – Двоконтурний СП

Форма АЧХ такого СП залежить від значення фактора зв'язку (рис. 9.8), що широко використовується на практиці для регулювання смуги пропускання. Мінімальна смуга пропускання досягається при зв'язку менше критичного

.

Відлічена на рівні 0,707 смуга, складає 0,64 смуги пропускання одиночного контуру з тією же добротністю (крива 1). При критичному зв'язку (- крива 2) вона врази, а при(- крива 3) – у 3,1 рази перевищує смугу пропускання СП з одиночним коливальним контуром, причому в останньому випадку рівень западини також складає 0,707 від максимального. При подальшому збільшенні коефіцієнту зв’язку між контурами провал АЧХ суттєво збільшується (нижче за рівень 0,707) при цьому коефіцієнт прямокутності змінюється не суттєво (крива 4). Тому в підсилювальній техніці використовують двоконтурний смуговий фільтр з видами АЧХ типу 1, 2 і 3. Регулювання смуги пропускання може також здійснюватися зміною добротності контурів фільтра.

Зі збільшенням кількості двоконтурних смугових фільтрів в СП крутість схилів результуючої АЧХ зростає, а форма вершини АЧХ змінюється мало. Завдяки поліпшенню прямокутності, нерівномірність АЧХ у смузі пропускання () зростає значно менше порівняно з підвищенням вибірностіS_ск, тобто з'являється можливість одночасного задоволення суперечливих вимог – реалізації заданих іS_ск.

Рисунок 9.8 – АЧХ двоконтурного смугового підсилювача

Смугові каскади для трактів із зосередженим поділом функції підсилення і вибірності

Однієї з різновидів СП, що реалізують другий принцип, є СП із п'єзоелектричним фільтром (рис. 9.9). П'єзоелектричні фільтри (ПЕФ) відносяться до приладів селекції і слугують для виділення (придушення) певного спектра коливань.

Рисунок 9.9 – СП з п’єзоелектричним фільтром

П'єзоелектричні фільтри випускаються промисловістю серійно. В основу вітчизняної класифікації покладено дев'ять елементів:

• Перший елемент – літери "ФП" (позначають – фільтр п'єзоелектричний);

• Другий елемент – цифра, що позначає матеріал п'єзоелемента (1 – кераміка, 2 – кварц, 3 – п'єзокристали, відмінні від кварцу та кераміки);

• Третій елемент – літера, що позначає функцію фільтра (П – смуговий, Р – режекторний, Д – дискримінаторний, Г – гребінчатий, О – однієї бічної смуги);

• Четвертий елемент – цифра, що позначає конструктивно-технологічне виконання фільтра (1 – дискретні, 2 – гібридні одношарові, 3 – гібридні п’єзомеханічні, 4 – гібридні монолітні, 5 – гібридні інші, 6 – інтегральні одношарові, 7 – інтегральні п'єзомеханічні, 8 – інтегральні монолітні, 9 – інтегральні на ПАХ, 10 – інтегральні інші);

• П'ятий елемент – дво(три)значне число, що позначає реєстраційний номер розробки;

• Шостий елемент – число, що позначає номінальну частоту і літера, що позначає одиницю вимірювання частоти або шифр: 1 – низькочастотні (до 60 кГц), 2 – середньо-частотні (60...400 кГц), 3 – середньо-частотні (400...1200 кГц), 4 – високочастотні (1,2...3 Мгц), 5 – високочастотні (3...5 МГц), 6 – високочастотні (4...25 Мгц), 7 – високочастотні (24...35 МГц), 8 – високочастотні (34...90 Мгц), 9 – високочастотні (понад 90 МГц);

• Сьомий елемент – число, що відповідає ширині смуги пропускання (затримування) у герцах (кілогерцах) або код (f/f): 1 – вузькосмугові (до 0,05%), 2 – вузькосмугові (0,04...0,2%), 3 – широкосмугові (0,2...0,4%), 4 – широкосмугові (0,4...0,8%), 5 – широкосмугові (понад 0,8%);

• Восьмий елемент – буква, що характеризує умови експлуатації (В – все-кліматичні, Т – тропічні, М – морські);

• Дев'ятий елемент – буква, що вказує на інтервал робочих температур (,,,,,).

Між елементами 4 і 5, 5 і 6, 6 і 7, 7 і 8 ставиться дефіс. Якщо місця для нанесення повної класифікації недостатньо – застосовують скорочене маркування на приладах, що складається з перших п'яти букв.

­Електричні параметри найбільш поширених п’єзоелектричних фільтрів наведено в табл. 9.1.

Наступним різновидом п’єзоелектричних фільтрів слід вважати фільтри на ефекті поверхневої акустичної хвилі (ПАХ). В даний час таки фільтри широко використовуються в приймачах стільникового зв’язку, телевізійних приймачах в оптоволоконних системах передачі даних. На їх основі будуються лінії затримки, резонатори, антенні дуплексори – двоканальні фільтри, що здійснюють розділення по частотам трактів передачі та прийому а також конволвери – шестиполюсники, що формують згортку двох сигналів: вхідного та вихідного. Таке широке їх розповсюдження пояснюється малими габаритами, незначною вагою, відсутністю енергоспоживання а також можливостями використання технологій сумісних з виробництвом ІМС. Окрім цього для таких фільтрів характерним є: лінійна ФЧХ, висока прямокутність АЧХ, виняткове позасмугове придушення сигналів та температурна стабільність.

Фільтри на ефекті ПАХ знаходять застосування на частотах від 30 МГц до 3 ГГц, оскільки на низьких частотах їх розміри стають дуже великими і тому використовуться фільтри на обємних хвилях з п’єзоелектричної кераміки. На частотах вище за 3 ГГц розрізнювальна здатність фотолітографічного процесу не дозволяє отримати значний відсоток справних виробів і їх ціна стає неконкурентноздатною у порівнянні з іншими рішеннями. На вищих частотах знаходять застосування електромагнітні фільтри на зв’язаних порожнинах, що виконані з кераміки.

Таблиця 9.1 ­– Електричні параметри найбільш поширених п’єзоелектричних фільтрів

Тип фільтра	Середня носійна частота в МГц	Смуга пропускання в МГц (за рівнем)	Нерівномірність згасання в дБ (не більше)	Гарантоване згасання в дБ (не менш)	Зразок корпуса
ФПЗП7-464-1 вхід 1 вихід (5) вихід (6)	38,0 38,0 31,5	0,74...1,1(3) - -	1,2±2 - -	34 34 16...26
ФПЗП7-464-2 вхід 1 вихід(5) вихід(6)	39,8 38,9 33,4	0,84...1,1(3) 0,84...1,13) 0,74...0,95(3)	2 2 -	30...34 30 34
ФПЗП7-464-3 вхід вихід(5) вихід(6)	45,75 45,75 41,25	0,74...1,13) - -	2 - -	- 25 16...25
ФПЗП9-451	38,0...45,7 41,25±1	3.4...4.5	1.2...2.5	9...40
ФПЗП9-451-01	41,25	5,5	2	28...40	безкорпусний
ФПЗП9-458-1-1	37,4	5,5	2	28...40	безкорпусний
ФПЗП9-458-1-2	43,75	5,5	2	28...40	безкорпусний
ФПЗП9-458-2-1	37,4	5,5	2	28...40
ФПЗП9-458-2-2	43,75	5,5	2	28...40

Вибірні підсилювачі з ФЗС на LC-контурах

У підсилювачах з зосередженою вибірністю необхідна селективність створюється в ФЗC. В якості останніх крім розглянутих п'єзоелектричних фільтри і фільтрів на поверхневих акустичних хвилях також застосовують електромеханічні, п’єзомеханічні та електричні LС-фільтри різної складності. Роглянемо вибірний підсилювач з ФЗС на LС-контурах (рис. 9.10). Для того, щоб характеристики фільтра не спотворювалися, він повинен бути узгоджений з джерелом сигналу і навантаженням за допомогою елементів зв'язку.

Рисунок 9.10 – Електрична схема вибірного підсилювача з ФЗС

на LС-контурах

У підсилювачах з ФЗВ на LС-контурах використовують автотрансформаторний, трансформаторний або ємнісний зв'язок. На рис. 9.10 наведено приклад ФЗС на 4 LС-контурах з ємнісним зв’язком. Коефіцієнти трансформації визначаються, відповідно, для першого і останнього контуру ФЗС

, ,

де - характеристичний (хвильовий) опір фільтра; і- параметри еквівалентної схеми біполярного транзистора, які розраховуються по формулах

; .

Якщо коефіцієнти трансформації виявляються більше одиниці, то застосовують повне включення контуру фільтра (n = 1). При цьому паралельно входу і (або) виходу фільтра вмикають шунтуючі резистори з провідностями

; .

Розрахунок елементів фільтра для відносної смуги пропускання здійснюють за такими формулами:

• ємність конденсаторів зв'язку

;

• ємність контурів проміжних ланок

;

• ємність вхідного контуру

;

• ємність вихідного контуру

;

• індуктивність контурів проміжних ланок

;

• індуктивність контурів крайніх ланок

.

У наведених формулах - це різниця між верхньою і нижньою частотами зрізу фільтра, яка залежить від власної добротності контуру , смуги пропускання, кількості ланок і селективності фільтра. Величинувизначають за графіками [21] або розраховують на ЕОМ.

При трансформаторному зв’язку індуктивність котушок зв’язку

,

де - коефіцієнт зв’язку ().

При автотрансформаторному зв’язку

.

Коефіцієнт підсилення каскаду з ФЗС обраховується по формулі

,

де - затухання, внесене фільтром у смугу пропускання;- параметр біполярного транзистора;- кількість контурів.

Вибірні підсилювачі із ФЗС на LС-контурах мають ряд недоліків основними з яких є складність настроювання й регулювання таких підсилювачів, великі габарити та маса. Як на переваги підсилювачів із ФЗС на LС-контурах слід вказати їх високу надійність і довговічність, а також малий вплив температури на частотні властивості ФЗС.