ОГРАНИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 15Следующая ⇒

Для любого усилителя ширина полосы пропускания и коэффициент усиления связаны друг с другом. Наблюдается общая закономерность: произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания для данного устройства есть величина постоянная. K_U(f_в-f_н)=Сonst. Для широкополосного усилителя K_Uf_в=Const. Однако коэффициент усиления определяется из условий усиления сигнала и должен иметь вполне определенную величину. В результате может оказаться, что верхняя граничная частота будет намного больше необходимой. А необходимая верхняя частотная граница полосы пропускания определяется спектром частот усиливаемого сигнала. Нет необходимости делать ее больше, а в ряде случаев даже вредно,

так как при расширении полосы частот увеличивается уровень собственных шумов и величина помех от посторонних источников. Поэтому возникает проблема по искусственному ограничению полосы пропускания. Эта задача решается применением частотных фильтров. Различают фильтры нижних частот, форма полосы пропускания которых показана на рисунке 8.1 и фильтры верхних частот (рисунок 8,2). При последовательном включении этих фильтров происходит ограничение полосы пропускания с двух сторон (рисунок 8,3).

Рисунок 8.1.

Рисунок 8,2.

Рисунок 8.3..

Известно очень много схем фильтров. Они разделяются на фильтры пассивные,не содержащие усилительных элементов,и активные фильтры,всостав которых входят усилители. Пассивные фильтры содержат линейные

схемные элементы: сопротивления, индуктивности и емкости. На особенности формы частотной характеристики влияет порядок фильтра, определяемый по порядку дифференциального уравнения, описывающего прохождение сигнала через фильтр. На рисунке 8,4 показаны некоторые простейшие схемы пассивных фильтров. Кроме фильтра 1- го порядка представлены фильтры четного порядка. Но если в схемах одну из катушек индуктивности заменить на резистор, то порядок фильтра понизится на единицу и станет нечетным.

Показанные схемы фильтров не являются единственными. Известны схемы, в которых последовательно с индуктивностями включаются емкости. С возрастанием порядка фильтра в районе границы полосы пропускания, (или, как еще говорят, частоты среза) зависимость от частоты становится более сильной, в полосе пропускания коэффициент передачи напряжения становится более постоянным, а за полосой пропускания сигнал более быстро спадает.

Рисунок 8.4.

При последовательном включении фильтров верхних и нижних частот частотная характеристика с повышением порядка фильтра приближается к идеальной П образной. При этом в полосе пропускания коэффициент передачи становится постоянным, а за пределами сразу обращается в нуль. Особенности формы частотной характеристики зависят от соотношения примененных номиналов схемы. Различают фильтры Бесселя, Баттерворта и Чебышева. Здесь нет возможности остановиться подробно на всех этих аспектах. Можно использовать специальную многочисленную литературу по фильтрам.

Рисунок 8,4a

Для иллюстрации и лучшего понимания данного вопроса рассмотрим все же фильтр второго порядка нижних частот. По существу схема этого фильтра является разновидностью последовательного колебательного контура. Как известно, форма частотной характеристики колебательного контура зависит от резонансной частоты и добротности колебательного контура. Для данной

схемы Q R	^C , f₀	1	. На рисунке 8.4а показано влияние добротности на
		2 LC
	L

форму частотной характеристики этого фильтра.

При некоторой добротности, назовем ее оптимальной Q_опт, в полосе пропускания коэффициент передачи напряжения менее всего зависит от частоты. Анализ формы частотной характеристики фильтра позволяет определить значение Q 1/ 2 . При оптэтом верхняя граничная частота пропускания фильтра оказывается равной резонансной частоте колебательного контура f 1/ 2 LC . Привдобротности Q большей Q_опт на высоких частотах наблюдается увеличение коэффициента передачи напряжении фильтра, а при добротности меньшей оптимальной - преждевременный спад кривой. Нужно иметь в виду, что значение Q 1/ 2 выравниваетопт частотную характеристику фильтра. Однако, если необходимо иметь наименьшее искажение импульса прямоугольной формы, то добротность должна быть равна критической добротности колебательного контура. Ее значение: Q_кр=0,5.

Рисунок 8.4б Схемы пассивных фильтров рис. 8.4 не являются единственными.

Включая последовательно с индуктивностями в некоторых местах дополнительные емкости и используя разветвленные цепи можно получить большое разнообразие схем фильтров и, соответственно, особенностей поведения их частотных характеристик, представленных на рисунке 8.4б.

Обычно пассивные фильтры применяют на высоких частотах (начиная приблизительно с частоты 100 КГц). На более низких частотах размеры необходимой катушки индуктивности становятся слишком громоздкими для применения в современной электронной технике. Поэтому в настоящее время широко используют активные фильтры, не содержащие катушек индуктивностей. Активный фильтр состоит из активного элемента и RC-цепей. Активные фильтры отличаются хорошей избирательностью, отсутствием затухания сигнала (сигнал даже усиливается), малой массой и габаритами, простотой схем. К недостаткам активных фильтров следует отнести потребление энергии и ограниченный диапазон применения – выше частоты в 1МГц активные фильтры не обычно не применяются. Частотные характеристики активных фильтров нужной формы получаются за счет частотно- зависимых обратных связей в усилителях, образованных RC цепями. Известно несколько схем активных фильтров.

Рисунок 8.5 Рассмотрим только одну, можно сказать, классическую. Другие известные

схемы дают такой же результат или хуже. На рисунке 8.5 показана схема активного фильтра нижних частот второго порядка, а на рисунке 8.6 изображена схема аналогичного фильтра верхних частот.

Рисунок 8.6

Форма частотных характеристик этих фильтров точно такая же, как и пассивных фильтров второго порядка. Подробный анализ показывает, что для получения наиболее равномерной частотной характеристики в полосе частот пропускания следует выбирать отношение сопротивлений резисторов R2/R1=0.58. При этом сигнал на выходе фильтра будет больше входного в 1.58 раза. Следует иметь в виду, что на форму частотной характеристики всего устройства, в состав которого входит фильтр, могут повлиять и другие элементы схемы, встречающиеся на пути сигнала. Поэтому в ряде случаев можно произвести коррекцию частотной характеристики всего устройства, изменяя соотношение R2/R1 в ту или иную сторону.

При необходимости получения фильтра более высокого порядка фильтры второго порядка соединяют последовательно. Два одинаковых фильтра образуют фильтр четвертого порядка. Три - шестого. Необходимость использования фильтров высокого порядка возникает тогда, когда хотят получить узкую полосу пропускания, чтобы фильтр обладал более высокой избирательностью.

УЗКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

Используя фильтры верхних и нижних частот возможно получить узкую полосу пропускания, когда (fв-fн)<<(fв+fн)/2. Однако это не всегда рационально делать, так как схема может получиться намного сложнее, чем при использовании других методов формирования узкой полосы пропускания. Приступим к рассмотрению этих методов. Прежде всего можно использовать обычный резонансный усилитель с колебательным контуром. В качестве усилительного элемента наиболее рационально использовать двухзатворный полевой транзистор, специально разработанный для использования в таких схемах (см. рисунок 9.1), или специализированные интегральные схемы (рисунок 9.2). Двухзатворный полевой транзистор является аналогом радиолампы типа тетрод. Второй затвор полевого транзистора заземлен по высокой частоте и служит для уменьшения связи между выходом и входом усилителя, обеспечивая тем самым стабильность работы усилителя.

Рисунок 9.1

Однако специализированные интегральные усилители, предназначенные для использования в схемах узкополосных резонансных усилителей, дают лучшие результаты по коэффициенту усиления и стабильности. В этих усилителях,

поскольку они разработаны для применения в радиоприемной аппаратуре, обычно предусмотрена возможность подачи сигнала автоматической регулировки усиления (АРУ). Для измерительных усилителей эта функция обычно не нужна или может быть использована для стабилизации коэффициента усиления по контрольному сигналу (пилот-сигналу). Дело в том, что коэффициент усиления на резонансной частоте зависит от добротности колебательного контура, а на ее величину может повлиять изменение температуры, поскольку омическое сопротивление катушки индуктивности, влияющее на величину добротности, весьма заметно зависит от температуры.

Рисунок 9.2 При использовании в узкополосном усилителе одиночного

колебательного контура форма частотной характеристики имеет типичный колоколообразный вид. (См. Рисунок 9,3.)

Рисунок 9.3 Улучшить форму частотной характеристики, сделать ее в полосе

пропускания более постоянной, а за пределами полосы пропускания более быстро спадающей, то есть приблизить ее форму к П образной, можно различными способами. Самый старый и хорошо известный способ – это использование вместо одиночного колебательного контура системы связанных колебательных контуров, образующих фильтр сосредоточенной селекции. На рисунке 9.4 показана схема соединения трех связанных контуров.

Рисунок 9.4 Три колебательных контура объединены в цепочку с помощью

конденсаторов связи. При соответствующей настройке этой схемы можно получить частотную характеристику, показанную на рисунке 9,5. Получилась частотная характеристика с тремя максимумами (трехгорбая).

Рисунок 9.5 Если связать аналогичным образом четыре контура, то можно получить

характеристику с четырьмя максимумами еще более близкую к П образной характеристике. И так далее. Однако хороший результат, таким образом, может быть получен лишь в том случае, если с ростом количества связанных контуров одновременно увеличивается и добротность каждого контура. Для обычных колебательных контуров индуктивности добротность обычно не превышает 100 единиц. Кроме того, с ростом количества контуров увеличиваются трудности настройки всей системы.

Хороший результат получается при переходе от электрических колебательных систем к механическим, электромеханическим или пьезоэлектрическим системам, добротность которых может быть значительно больше, чем у обычного колебательного контура. Такие фильтры выпускаются промышленностью серийно, не требуют настройки и намного компактнее фильтров сосредоточенной селекции на связанных контурах.

Объединяя несколько пьезоэлектрических резонаторов по схеме, представленной на рисунке 9.6, получаем пьезоэлектрический фильтр (фильтр ФП1П-2) с весьма хорошей формой частотной характеристики.

Рисунок 9.6

Такие фильтры применяются в различной радиоприемной аппаратуре и выпускаются промышленностью серийно на различные частоты, преимущественно стандартные частоты промежуточной частоты 465 кГц, 6, 5 МГц, 10.7 МГц.

Для связных приемников, где требуется узкая полоса пропускания и хорошая избирательность, используются электромеханические фильтры с цепочкой связанных между собой механических резонаторов. Каждый такой резонатор состоит из металлического диска, резонирующего на радиальных колебаниях. Цепочка таких резонаторов связана общей осью. Внешне такой фильтр похож на многозаходную катушку и изготавливается на токарном станке из одной металлической заготовки. По краям цепочки резонаторов монтируются магнитострикционные преобразователи энергии электрических колебаний в энергию механических и обратно. В составе электромеханического фильтра используется более 10 резонаторов, обеспечивающих получение частотной характеристики почти прямоугольной формы при средней частоте 500 кГц и полосе пропускания в несколько килогерц.

В телевизионной приемной аппаратуре, где для выделения сигнала изображения требуется полоса пропускания от 27 МГц до 34 МГЦ, широко используются фильтры на поверхностных акустических волнах. В таком фильтре на поверхности пьезоэлектрической пластинки наносят две системы электродов. Одна система возбуждает на поверхности пьезоэлектрика поверхностные акустические волны, которые распространяются в направлении

другой системы и вызывают в ней появление электрического сигнала. При соответствующей конфигурации электродов получается необходимая форма частотной характеристики. Такие фильтры очень компактны.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2577; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!