Усилители с двухконтурным фильтром

В приемных устройствах применяются различные варианты усилите­лей с двухконтурными фильтрами. Наиболее распространены индуктивная и внешнеемкостная связи между контурами. Связь контуров с усилитель­ными приборами обычно бывает автотрансформаторная или с помощью емкостного делителя.

Рассмотрим вариант с индуктивной связью между контурами (Рис. 6.5). Основные выводы при этом будут справедливы и для других вариан­тов.

Рис.6. 5

Перейдем к эквивалентной схеме, в которой выход усилительного прибора заменим генератором тока с проводимостью и емкостью , а вход следующего каскада заменим проводимостью и емкостью . Эквивалентная схема показана на Рис. 6.6, где,-полные емкости;

, - полные проводимости.

На основании теоремы об эквивалентном генераторе заменим генератор тока генератором ЭДС (Рис. 6.7), которая находится как напряжение холостого хода между точками 1-1:. Зная

Рис.6. 6

Рис.6. 7

коэффициент передачи фильтра , можно найти коэффициент усиления

, (6.17)

где - характеристическое сопротивление первого контура.

Выражение (6.17) справедливо для усилителя с фильтром, содержащим любое число контуров (при соответствующем ).

Фазочастотная характеристика усилителя определяется фазочастотными характеристиками фильтра и усилительного прибора. В отличие от одноконтурного усилителя она в данном случае имеет дополнительный фазовый сдвиг на . Модуль коэффициента усиления имеет вид:

. (6.18)

Вблизи резонанса ( ) частотная характеристика усилителя восновном определяется частотной характеристикой фильтра:

. (6.19)

Из теории линейных цепей известны выражения для . Для днухконтурного фильтра при одинаковых параметрах контуров

, (6.20)

где .

С учетом выражения (6.20) выражение (6.19) имеет вид

. (6.21)

В N-каскадном усилителе коэффициент усиления

. (6.22)

При резонансе ()

. (6.23)

Из (6.22) и (6.23) выражение частотной характеристики усилителя, если усилительный прибор выбран с достаточным запасом по частоте, имеет вид

. (6.24)

Форма характеристики зависит от . При она одногорбая; при (критическая связь) частотная характеристика имеет наиболее ровную вершину; при она двугорбая.

Частоотная характеристика наиболее близка к прямоугольной, когда впадина между двумя горбами соответствует допустимой неравномерности в пределах полосы пропускания. Для настройки удобнее фильтры с критический связью между контурами (). При этом и фазовая характеристика ближе к линейной.

Усилители с фильтром сосредоточенной селекции

В тех случаях, когда полосовой усилитель должен иметь очень высокую избирательность (т.е. резонансную кривую с коэффициентом прямо-угольности, близким к единице), используются фильтры сосредоточенной избирательности или селекции (ФСС). Кроме того, применение ФСС целесообразно если в качестве апериодического усилителя используется усилительный модуль в интегральном исполнении, обеспечивающий достаточно большое усиление.

Широко применяют LC-фильтры различной сложности, электромеханические и пьезокерамические фильтры. Ими в основном определяется частотная характеристика тракта промежуточной частоты. Если требуется дополнительные каскады, то их полосу пропускания делают более широкой, чем у ФСС, чтобы не ухудшить характеристику.

Сосредоточение селективности в одном каскаде обеспечивает большую устойчивость формы частотной характеристики тракта при изменении температуры и режима питания. Вследствие разброса параметров транзисторов тракт с распределенной по каскадам селективностью характеризуется меньшей устойчивостью частотной характеристики. На Рис.6.8. показан пример схемы многозвенногоLC-фильтра.

Рис.6. 8

Электромеханический фильтр в схеме усилителя на рисунке 6.9. состоит из входного магнитострикционного преобразователя электрических колебаний в механические, механического фильтра и выходного преобразователя механический колебаний в электрические. Эффект магнитострикции заключается в способности некоторых материалов (никель, пермаллой) изменять свои размеры в магнитном поле.

Электрические колебания промежуточной частоты подаются на обмотку катушки входного магнитострикционного преобразователя. Внутрь этой катушки помещен никелевый стержень, который в результате магнитострикционного эффекта совершает продольные механические колебания с частотой подведенного электрического сигнала. Эти колебания возбуждают механический резонатор в виде диска из железоникелевого сплава. Диск связан с другими дисками посредством упругих никелевых стержней, в которых возникают

Рис.6. 9

продольные колебания. Таким образом, диски не образуют единой жесткой конструкции, а являются системой связанных резонаторов. Каждый диск резонирует подобно колебательному контуру, а стержни действуют подобно емкостям связи. Последний диск возбуждает колебания никелевого стержня, помещенного внутрь обмотки выходного магнитострикционного преобразователя. В результате обратного магнитострикционного эффекта на концах этой обмотки возникает выходное напряжение промежуточной частоты.

Такие фильтры имеют близкую к прямоугольной частотную характеристику, малые габариты и хорошую температурную стабильность.

Вдиапазонах метровых и дециметровых волн применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Они состоят из пьезоэлектрической подложки (кварц, ниобат лития, германат висмута), на которую методами фотолитографии нанесены пленочные преобразователи в виде встречно-штырьевых гребенок (Рис.6.10).

Рис.6. 10

Если на входной преобразователь подать сигнал, то вследствие пьезо-электрического эффекта в промежутках между штырями возникнет акустическая волна, которая распространяется в обе стороны от преобразо­вателя. В одном из направлений волна затухает в поглощающей среде, в другом достигает выходного преобразователя, где преобразуется за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Фильтры на ПАВ относятся к классу фильтров, известных под названием трансверсальных.

Фильтрацию сигналов можно рассматривать как сложение задержанных сигналов с соответствующими весовыми коэффициентами. В полосе пропускания задержанные сигналы складываются синфазно, а в полосе подавления - противофазно. Структура трансверсального фильтра показана на рис.6.11.

Рис.6. 11

Фильтр имеет линию задержки с N отводами, причем каждый отвод характеризуется весовым коэффициентом . Сумма взвешенных сигналов, снимаемых с отводов, образует выходное напряжение. Электроды встречно-штыревого преобразователя, нанесенные на подложку, можно рассматривать как отводы линии задержки, а шины - как сумматоры. В отличие от классического трансверсального фильтра на ПАВ две системы отводов от линии задержки. Его характеристика определяется двумя преобразователями (входным и выходным), которые можно варьировать для формирования результирующей характеристики.

Фильтры на ПАВ не являются минимально-фазовыми, так как в них сигнал от входа к выходу проходит несколькими путями. В минимально-фазовых фильтрах АЧХ и ФЧХ однозначно связаны друг с другом. Поэтому для обеспечения линейности ФЧХ вводят корректор, что усложняет фильтр. У неминимально-фазовых фильтров АЧХ и ФЧХ независимы, поэтому можно реализовать близкую к прямоугольной АЧХ, обеспечив в полосе пропускания линейность ФЧХ.

Фильтры на ПАВ применяются для частот от 30 до 800 МГц с относи­тельной полосой пропускания от 0,1 до 30 %. Их можно использовать в диапазоне частот от 1 МГц до 3 ГГц, причем нижняя граница этого диапазона определяется размерами подложек, а верхняя - возможность изготовления преобразователей. Достоинствами фильтров на ПАВ являются хорошая селективность, малые габариты, возможность изготовления методами интегральной технологии, совместимость с интегральными модулями. При массовом производстве обеспечивается хорошая воспроизводимость характеристик и относительно низкая себестоимость, высокая надежность, стабильность характеристик.