устройства функциональной электроники

Таганрог 2009

УДК 621.382.8(075.8)

Составители: О.Н. Негоденко, С. П. Мирошниченко.

Учебное пособие по курсу «Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы». Фильтры, запоминающие, оптоэлектронные и другие устройства. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009, 130 c.

Табл. 5. Ил. 186. Библиогр.: 39 назв.

В пособии рассматриваются фильтры, запоминающие, оптоэлектронные и другие устройства. Приводятся основные параметры, характеристики, методика расчета элементов. Методическое пособие предназначено для изучения курса «Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы» студентами специальности 210200, а также может быть полезно студентам других специальностей.

Рецензент Е. Т. Замков, кандидат технических наук, доцент кафедры КЭС, ТТИ ЮФУ.

2

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы» содержит материал, не вошедший в ранее изданные учебные пособия: «Электроэлементы РЭА ЭВА» (№ 211 – трансформаторы, № 298 – катушки индуктивности и вариометры, № 633 – линии задержки и элементы памяти на ферритовых сердечниках), «Вопросы качества электрорадиоэлементов» (№ 999), «Проектирование акустоэлектронных устройств, фильтрации и задержки сигналов» (№1383). Кроме пособий, изданных в ТРТУ, можно рекомендовать (1) – (6).

3

1.ФИЛЬТРЫ

1.1.Общие сведения, параметры и классификация

Частотным фильтром называется четырехполюсник, обладающий заданным затуханием в определенной области частот.

В радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) фильтры используются для селекции сигналов на входе радиоприемного устройства, в усилителях промежуточной частоты, для защиты РЭА от нежелательных сигналов, для частотного разделения каналов связи в линиях передачи информации.

Фильтры получаются соответствующим соединением индуктивных и емкостных элементов или контуров, пьезоэлектрических, магнитострикциионных и электромагнитных резонаторов.

Фильтры делятся на LC-фильтры, пьезоэлектрические, магнитострикционные, с электромагнитными преобразователями. Три последних варианта фильтров входят в состав электромеханических фильтров.

LC-фильтры (с применением катушек индуктивности и конденсаторов) дешевые, применяются в широком диапазоне частот (от нескольких десятков кГц до нескольких десятков МГц), но крупногабаритны, обладают пониженной температурной стойкостью и добротностью.

Пьезоэлектрические фильтры из монокристаллов кварца обладают высокой температурной стабильностью и добротностью, но в (2-10) раз дороже, чем LC-фильтры.

Пьезокерамические фильтры имеют худшие тепловые и электрические характеристики, чем пьезокварцевые, но дешевые и малогабаритные.

Магнитострикционные фильтры и фильтры с электромагнитными преобразователями имеют высокую добротность на низких частотах, что не наблюдается ни у каких других фильтров, они малогабаритны по сравнению с низкочастотными LC-фильтрами, но дороже последних в (10-20) раз.

Основными параметрами фильтров являются следующие: коэффициент

передачи по напряжению K = Uвых , полоса пропускаемых частот по уровню

Uвх

0,7 – П0,7, по уровню 0, 5 – П0,5, коэффициент прямоугольности амплитудно-

частотной характеристики КП = П0,1 , неравномерность коэффициента пере-

П0,7

частот – А, неравномерность затухания - АА , входное и выходное сопротив-

Ср

ление, частотно-фазовая характеристика, габариты, стоимость, надежность.

4

По назначению фильтры делятся на фильтры низких частот ФНЧ (пропускают низкие частоты), фильтры верхних частот ФВЧ (пропускают верхние частоты), полосовые ПФ (пропускают полосу частот), заграждающие фильтры ЗФ (не пропускают полосу частот).

Частотные зависимости коэффициента передачи фильтров аппроксимируются полиномами. По виду полинома различают фильтры Беттерворта, Гаусса (Бесселя), Чебышева, Кауэра. Фильтр Баттерворта характеризуется монотонным изменением затухания в полосе пропускания и в полосе задерживания сигнала (рис. 1.1). Затухание для одного элемента фильтра в полосе задерживания изменяется на 6 дБ на октаву (при изменении частоты в 2 раза) или на 20 дБ на декаду (при изменении частоты в 10 раз). Фильтры Гаусса (Бесселя) также имеют монотонное изменение затухания в полосе пропускания и задерживания, однако величина затухания меньше. Характеристика затухания фильтра Чебышева имеет колебательный характер в полосе пропускания и монотонный характер в полосе задерживания (рис. 1.2). Характеристика затухания фильтра Кауэра имеет колебательный характер как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания (рис. 1.3). На рис. 1.1 – рис. 1.3 показаны характеристики для ФНЧ, для ФВЧ, например, Кауэра характеристик приведена на рис. 1.4, а полосового фильтра – на рис. 1.5. По изменению затухания в полосе задерживания различают фильтры первого, второго, третьего и т.д. порядков. Для фильтра первого порядка затухание составляет 20 дБ на декаду, второго – 40 дБ на декаду и т.д. Фильтр Кауэра имеет самый крутой поворот характеристики затухания вблизи частоты среза, затем следует фильтр Чебышева, фильтр Баттерворта и наконец Гаусса (Бесселя).

LC-фильтры, пьезоэлектрические, магнитострикционные и с электромагнитными преобразователями относятся к пассивным, т.е. не содержащим активных элементов (транзисторов, усилителей). Используются также и активные фильтры (на транзисторных конверторах, инверторах импеданса, на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами, R-фильтры на операционных усилителях с использованием интегрирующих и дифференцирующих цепей, режекторных RC-фильтров в цепи отрицательной обратной связи, на конверторах и инверторах импеданса, реализованных на операционных усилителях, на приборах с зарядовой связью, цифровые фильтры на жесткой логике или микропроцессорах). Активные фильтры имеют лучшие массо-габаритные и электрические характеристики, но дороже пассивных. Они также уступают пьезокварцевым фильтрам по температурной стабильности, требуют затрат электрической энергии даже при отсутствии полезного сигнала.

1.2. Принципы и примеры построения схем LC-фильтров

Здесь используется тот факт, что сопротивление катушки индуктивности возрастает с ростом частоты (XL = jωL), а сопротивление конденсатора

5

уменьшается ( XC = jω1C ). Часто используется цепочечное соединение Г, П и

Т-образных простейших LC-фильтров. При этом фильтры Баттерворта, Гаусса и Чебышева строятся на фильтрах типа «К», а фильтры Кауэра – на

-A, дБ

-A, дБ

6

0 f

-A, дБ

Рис.1.5

фильтрах типа «m» (см. МУ № 633). В фильтрах типа «К» последовательное и параллельное звено Г, П и Т-образного простейшего фильтра носит один характер (или индуктивный или емкостной). В фильтрах типа «m» часть реактивности из последовательного звена переносится в параллельное звено и наоборот.

Примеры ФНЧ приведены на рис. 1.6. С ростом частоты коэффициент передачи фильтра рис. 1.6а уменьшается, так как сопротивление индуктивности L2 и L4 возрастает, а сопротивление емкостей С1, С3, С5 уменьшается.

Примеры ФВЧ показаны на рис. 1.7. Здесь с ростом частоты коэффициент передачи возрастает, так как растет сопротивление индуктивности и падает сопротивление конденсаторов.

На рис. 1.8 показаны частотная характеристика полосового фильтра и характерные точки на ней: f0 – средняя частота, fС, f-С – частоты среза, fХ и f-Х – частоты по уровню 0,5.

При построении полосового фильтра используются схемы ФНЧ с заменой:

7

Здесь контура настраиваются на частоты fХ и f-Х, f0. Примеры ПФ показаны на рис. 1.9. Здесь, как видно, получаются фильтры типа «m».

Рис. 1.7

8

-A, дБ

Рис. 1.8

Рис. 1.9

Выше приведены так называемые неуравновешенные фильтры, т.е. несимметричные относительно «земли». Применяются также и уравновешенные фильтры, такой ФНЧ приведен на рис. 1.10.

Режекторные (заградительные) фильтры могут быть построены на основе ФНЧ по схеме, приведенной на рис. 1.11. Здесь сигнал на выходе U1,

сдвинут по фазе относительно Uвх на 180°, а сигнал U2 не сдвинут по фазе. Если U1 и U2 одинаковы по амплитуде, что достигается выбором сопротивления резистора R, то на определенной частоте Uвых = 0. Кроме LC-режек- торных фильтров применяются RC-фильтры: двойной Т-образный мост (рис. 1.12), мост Вина, фильтр Норта (рис. 1.13). В фильтре Норма используется распределенная RC-цепочка в качестве ФНЧ.

Кроме цепочечных фильтров применяются также фильтры мостовые и на связанных колебательных контурах. Мостовой фильтр-звено показан на рис. 1.14. Здесь Z1 – Z4 – простые или сложные реактивные двухполосники. Мостовые фильтры с высокочастотным дифференциальным трансформатором (со средней точкой) называются дифмостиковыми (рис. 1.15). Дифмостиковые фильтры могут быть ФНЧ, ФВЧ, но наиболее часто применяются

полосовые фильтры, в основном в аппаратуре связи. Дифмостиковые фильтры обычно уравновешенные. Их достоинство – большое разнообразие частотных характеристик. Один из дифмостиковых фильтров приведен на рис. 1.16 (самый простой).

Фильтры на связанных контурах обычно полосовые. Они применяются на частотах от 50 кГц до сотен МГц в усилителях промежуточной

9

частоты приемников и телевизоров. Чаще всего используется два связанных контура, причем связь может быть индуктивной, емкостной, взаимоиндуктивной. Контура настраиваются на близкие, но разные частоты или используется связь выше критической.

10