книги / Электронные генераторы. Фильтры

ВШП: взаимным расположением (перекрытием) штырей ВШП, их длиной, шириной и количеством штырей во входном и выходном ВШП, а также пьезоэлектрическими характеристиками кри- сталла-звукопровода 1. Наиболее эффективным преобразование будет в том случае, когда за время движения волны в промежутке d (см. рис. 1.20,б) между соседними штырями одной «гребенки» электрическое поле на них изменится на 360° (на один период сигнала U1) и вновь «подпитает» проходящую волну. Такой процесс называют синфазным (фазы поверхностной волны и электрического поля совпадают). При таких условиях будет происходить многократное (по числу штырей в «гребенке») усиление волны по мере продвижения ее от электрода к электроду, напоминающее явление резонанса. Эти условия выполняются для частоты f0 входного сигнала U1, называемой центральной частотой, если она связана с шагом штырей d соотношением

где v – скорость распространения сигнала по поверхности пьезокристалла, λ0− длина волны сигнала U1.

Если частота сигнала U1 отличается от f0 (f ≠ f0), эффективность преобразования снижается, так как нарушается синфазность ПАВ и электрического поля, создаваемого штырями ВШП.

Ширина полосы пропускания ∆F частотной характеристики ВШП определяется количеством штырей в «гребенке» ВШП. Чем больше штырей в «гребенке» ВШП, тем больше «подпиток» получает волна с частотой f0, т.е. тем больше усиливается энергия волны с частотой f0 и тем больше подавляются (затухают) волны с другими частотами f ≠ f0. Это означает, что происходит уменьшение (сужение) полосы пропускания ∆F ВШП. В этом проявляется избирательность ВШП по отношению к сигналам с разными частотами. Самая широкая полоса пропускания будет у ВШП, имеющего всего по два штыря в каждой «гребенке».

Приведенные рассуждения полностью относятся и к выходному ВШП.

61

1.7.2. Получение заданного вида АЧХ

Очень важным достоинством фильтров ПАВ является возможность получения заданного вида амплитудно-частотной характеристики. Вид АЧХ фильтров ПАВ зависит от взаимного перекрытия h штырей одной «гребенки» и штырей другой «гребенки» ВШП, как показано на рис. 1.20,б. Величина h изменяется по длине x «гребенки» от входа к выходу. Например, часто требуется фильтр с АЧХ, близкой к прямоугольной (идеальной). Для получения такой АЧХ величина h должна изменяться по длине x «гребенки» по закону синуса, как показано на рис. 1.20,в:

62

пустимыми размерами (dmax) пьезокристалла ВШП, с другой – разрешающей способностью современных методов фотолитографии (dmin), применяемых при производстве микросхем. Практически диапазон частот достаточно широк и составляет не ме-

нее 10–1500 МГц.

На рис. 1.21 приведена амплитудно-частотная характеристика фильтра промежуточной полосы телевизионного приемника на ПАВ (заменяет ФСС). Полоса пропускания фильтра не менее 6,5 МГц. Сплошная толстая линия указывает ограничения, за которые АЧХ не должна выходить, чтобы обеспечить высококачественную работу телеприемника.

1.7.3. Достоинства и недостатки фильтров ПАВ

Рассмотренный выше принцип действия фильтров ПАВ обусловливает ряд существенных преимуществ этих фильтров, основными из которых являются:

1)конструктивная и технологическая совместимость с микроэлектронными изделиями;

2)отсутствие необходимости в регулировке (настройке) после изготовления;

3)высокая стабильность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) во время эксплуатации;

4)повторяемость параметров фильтров при их производстве, обусловленная технологией получения микросхем;

5)возможность в ряде случаев использовать фильтр ПАВ вместо целой системы контуров на LC-элементах, необходимых для создания такой же АЧХ. Так, фильтр ПАВ заменяет в телевизионных приемниках фильтр сосредоточенной селекции (ФСС), состоящий из многих LC-элементов и имеющий до 12 точек настройки.

Наряду с очень важными достоинствами фильтрам ПАВ присущи некоторые недостатки, наиболее существенными из которых являются:

63

–относительно большие потери мощности при прохождении сигнала от входа к выходу, так как ПАВ распространяются в обе стороны от преобразователя, а используется только одна половина возбужденной волны, которая распространяется в сторону выхода. Вторая половина волны, распространяющаяся в сторону входа, теряется, что существенно уменьшает коэффициент передачи;

–наличие на выходе фильтра ПАВ, кроме полезных сигналов, паразитных сигналов, которые появляются при многократном отражении от преобразователя. Поэтому требуются специальные меры для подавления паразитных сигналов. На некоторые из этих мер уже было указано при рассмотрении устройства фильтра ПАВ. Это, например, экран 4 и звукопоглощающие накладки 5 на рис. 1.20,а.

Однако отмеченные недостатки фильтров ПАВ не являются препятствием для более широкого применения их в радиоэлектронной аппаратуре, особенно в телевизионных устройствах.

1.8.Микроэлектронные фильтры

1.8.1. Фильтр второго порядка на ОУ

На рис. 1.22 приведена одна из специальных схем фильтра на ОУ, упоминавшаяся в разделе 1.3, включающая в себя сумматор на ОУ1 и два активных ФНЧ первого порядка (интегратора) на ОУ2 и ОУ3. Сумматор и активные фильтры включены последовательно. Сумматор на ОУ1 суммирует и усиливает сигналы со входа (U1), с выхода фильтра (выход ОУ3) и с выхода ОУ2. В схеме имеются три цепи отрицательной обратной связи

(ООС):

–цепь местной ООС между выходом и инвертирующим входом ОУ1 через R2, охватывающая только ОУ1;

–цепь общей ООС между выходом ОУ3 и неинвертирующим входом ОУ1, охватывающая все три ОУ через R4;

–цепь общей ООС между выходом ОУ2 и неинвертирующим входом ОУ1 и ОУ2 через R3, охватывающая ОУ1 и ОУ2.

64

На рис. 1.23,а приведена фактическая квазирезонансная ЛАЧХ (симметричная) полосового фильтра второго порядка (выход ОУ2). Она соответствует АЧХ резонансного усилителя (см. рис. 1.2,б). В соответствии с (1.19), (1.20) по АЧХ на рис. 1.23,а можно определить f0, Qэкв:

Рис. 1.23

Из равенств (1.93) можно найти f1, f2, используя только полученные из ЛАЧХ f0 и Q:

66

Равенства (1.94), (1.95) будут нужны для ФНЧ и ФВЧ. На рис. 1.23,б приведена ЛАЧХ активного фильтра второго порядка низких частот (выход ОУ3), а на рис. 1.23,в – ЛАЧХ активного фильтра второго порядка высоких частот (выход ОУ1). Обе ЛАЧХ представлены сплошными линиями. Пунктирными линиями показаны асимптоты ЛАЧХ. Реальные ЛАЧХ отличаются от асимптот (диаграмм Боде).

Дополнение. Реальные ЛАЧХ ФНЧ и ФВЧ, проведенные сплошной линией, смещены относительно асимптот и имеют подъем в области частоты сопряжения f0 (сказываются свойства усилителя с обратной связью). На реальных ЛАЧХ определены

fр (частота, на которой коэффициенты передачи имеют максимальные значения – K 0н и K0в), граничные частоты fс1 и fс2 [2].

Для ФНЧ (см. рис. 1.23,б):

Для ФВЧ (см. рис. 1.23, в):

67

Квазирезонансная частота f0 и эквивалентная добротность Q определяются из (1.91), (1.92) или (1.93).

Для выполнения такого сложного фильтра требуются три ОУ (они все могут быть размещены в одной ИМС) и довольно много навесных элементов (2 конденсатора и 7 резисторов). Микроэлектронная технология позволяет получить такой же по свойствам фильтр, но почти без навесных элементов.

1.8.2.Переключаемый конденсатор

Вмикросхемах фильтров широко используется механизм «переключаемый конденсатор» (switched capacitor), позволяющий вместо навесных высокоомных сопротивлений R5, R6 (см. рис. 1.22) в интегрирующих звеньях использовать конденсаторы малой емкости (единицы и доли пФ), которые выполняются как элементы микросхемы в технологическом цикле производства микросхемы. Один из вариантов переключаемого конденсатора показан на рис. 1.24. Одна обкладка переключаемого конденсатора Сs с частотой fн / 2 (fн – тактовая частота настройки) переключается (при помощи электронного ключа K) между входом с напряжением Uвх и землей (корпусом).

Другая обкладка подключена к инвертирующему входу операционного усилителя ОУ, имеющему потенциал виртуального нуля (как у идеального ОУ). При этом протекает входной ток iвх, что эквивалентно наличию сопротивления Rи во входной цепи последовательно с интегрирующим конденсатором Си. Ве-

68

личина тока iвх (а значит и величина Rи) определяется частотой переключения fн / 2 и величиной емкости Сs:

Рис. 1.24

При fн = 500 кГц и Сs =12 пФ Rи= 333 кОм, а при

Сs =0,016 пФ и той же fн Rи =250 МОм.

Частота настройки fн может достигать нескольких МГц. Изменяя частоту fн, можно легко и плавно изменять величину сопротивления Rи, а значит, и производить настройку частоты среза интегрирующего звена. Хорошие результаты получаются при соотношении частот

fн ≥ (50 100) f0 .

Настройка частоты среза устанавливается довольно точно. Настройка может производиться и программным путем. Конденсаторы Сs, Си встраиваются в схему ОУ. При этом получается микроэлектронный интегратор без внешних (навесных) элементов. Используя такие интеграторы, получают активные фильтры, более эффективные, чем фильтры с последовательным соединением простых звеньев. Далее рассматривается в качестве примера один из многочисленных вариантов такого активного фильтра.

69

1.8.3. Микроэлектронный активный фильтр

На рис. 1.25 приведена схема эффективного микроэлектронного фильтра второго порядка, в котором использованы два рассмотренных выше микроэлектронных интегратора И1, И2 (вместо ОУ2, ОУ3 и внешних интегрирующих звеньев R5, C1, R6, C2 в схеме на рис. 1.22). По структуре и свойствам это фильтр аналогичен фильтру, показанному на рис. 1.22. На выходах ПФ, ФНЧ, ФВЧ получаются АЧХ, показанные на рис. 1.23,а,б,в соответственно. Однако настройка фильтра производится путем изменения частоты настройки fн, а не подбором внешних элементов интегрирующих звеньев.

Настройка фильтра, т.е. изменение fн, может производиться программно. С учетом (1.102) квазирезонансная частота f0

где М – число, которое определяется, в основном, соотношением величин емкостей Сs, Си (см. рис. 1.24).

Рис. 1.25

70