Основные типы кварцевых фильтров

1.1 Основные типы кварцевых фильтров

В пределах полосы пропускания характеристика затухания кварцевого фильтра может быть монотонной, равноволновой или близкой к равноволновой, что определяется как методом расчёта, так и точностью изготовления кварцевых пластин. В пределах полосы задержания характеристика затухания может монотонно возрастать или иметь некоторое число всплесков затухания.

В зависимости от требований, предъявляемых к кварцевому фильтру, используются те или иные типовые структуры – мостовые без расширительных катушек, мостовые с расширительными катушками, лестничные и монолитные кварцевые фильтры. Основные характеристики этих типов рассматриваются ниже.

а) Дифференциально-мостовые кварцевые фильтры.

Рис 4а.

Рис 4б.

Прототипом подавляющего большинства кварцевых фильтров, используемых в аппаратуре связи, является мостовой симметричный четырёхполюсник, схема которого изображена на рисунке 4а.

Известно, что в мостовой схеме полоса пропускания находится в области частот, где Z_a и Z_б имеют разные знаки. Включим вместо Z_a и Z_б кварцы, у которых нули и полюсы их сопротивления на характеристических строках смещены относительно друг друга, как показано на рисунке 5.

Рис5.

Тогда полоса пропускания будет лежать в заштрихованной на рисунке 5 области. Как видно она примерно равна двум промежуткам, где кварц имеет индуктивный характер.

Включим теперь вмсето Z_a два параллельно соединённых кварца со смещёнными нулями и полюсами, а вместо Z_б кварц с параллельно ему включённой ёмкостью. Эквивалентные схемы реактивных двухполюсников, соответствующие такому соединению показаны на рисунках 6а и 6б.

Рис 6.

Определим полосу пропускания при соответствующем подборе резонансных частот кварцев (рисунок 7).

Рис 7.

Видно, что при такой конструкции полоса пропускания расширяется и равна примерно трём промежуткам, где сопротивление кварца имеет индуктивный характер.

Указанные схемы обладают избыточным числом элементов и поэтому практически никогда не используются. Обычно от мостовой схемы переходят к эквивалентной с идеальным трансформатором, имеющим отвод от середины вторичной обмотки (рисунок 4б). Такой трансформатор носит название дифференциального.

Мостовая структура кварцевого фильтра сохраняет за собой лишь теоретическое значение. Условия эквивалентности схем доказываются в литературе и приведены на рисунках 4а и 4б.

Фактически схема замещения реального трансформатора включает в себя индуктивность холостого хода и индуктивности рассеяния. Последние при надлежащем исполнении могут быть достаточно малыми и их можно не учитывать. Однако индуктивность холостого хода, как правило, оказывает влияние на характеристики кварцевых фильтров и ею пренебречь нельзя. С целью компенсации этого влияния параллельно первичной обмотке дифференциального трансформатора включается дополнительная ёмкость. Она образует с указанной индуктивностью параллельный колебательный контур, который настраивается на среднюю частоту полосы пропускания фильтра, что и позволяет существенно повысить сопротивление холостого хода трансформатора в пределах этой полосы.

В качестве примера на рисунке 8 приведена дифференциально-мостовая схема фильтра, имеющего в одном плече два кварца, а в другом – кварц и конденсатор.

Рис 8.

Можно показать, что рабочее затухание таких схем при R_г=R_н=R₀ определяется формулой

,

анализ этого выражения и характеристических строк (рисунки 5 и 6) свидетельствуют, что область частот, где может быть расположена ПП является весьма узкой и составляет примерно 0,8% от средней частоты ПП. Это утверждение справедливо для всех типов фильтров, поскольку мостовая структура является универсальной, то есть любая другая структура может быть эквивалентно преобразована к мостовой.

Для расширения ПП параллельно кварцевым резонаторам включают катушки индуктивности, образующие с ёмкостью кварцедержателя С₀ параллельный колебательный контур.

Резонансная частота этого контура выбирается вблизи средней частоты полосы пропускания фильтра щ₀ =

Схема дифференциально-мостового кварцевого фильтра с расширительными катушками индуктивности показана на рисунке 9.

Рис 9.

Двухполюсники Z_a и Z_б при наличии расширительных катушек индуктивности могут быть представлены схемами рисунка 10а, б, а ниже изображены их характеристические строки.

Нетрудно заметить, что область частот, где Z_a/j и Z_б/j имеют разные знаки, при наличии расширительных катушек индуктивности существенно расширилась, следовательно, увеличилась ПП.

Использование катушек индуктивности позволяет расширить ПП до (8-10)% от средней частоты, что на порядок выше значений, достигаемых без дополнительных индуктивностей. Этот тип кварцевых фильтров часто называют широкополосными.

Рис 10.

б) Лестничные кварцевые фильтры.

При построении кварцевых фильтров с относительной шириной ПП порядка (0,01-0,08)%. Заметное распространение нашли кварцевые фильтры лестничной структуры. Существуют три их типа:

-           с кварцевыми резонаторами в поперечных ветвях;

-           с кварцевыми резонаторами в продольных ветвях;

-           с кварцевыми резонаторами в поперечных и продольных ветвях. Схема кварцевого фильтра первого типа изображена на рисунке 11.

Рис 11.

Воспользуемся условиями фильтрации для характеристического затухания. Для этого вычертим графики частотной зависимости реактивных сопротивлений Z₁/j, Z₂/j и определим область, где они имеют разные знаки, кроме того, |Z₂|>|Z₁|. На рисунке 12 эта область заштрихована.

Из рисунка 12 видно также, что ноль сопротивления лежит левее полосы пропускания, следовательно, можно утверждать, что здесь будет всплеск затухания. Примерный график а (щ) показан на рис. 13.

Если кварцы и ёмкости поменять местами, то нетрудно представить, что всплески затухания будут находиться правее ПП, а в случае включения кварцевых резонаторов в продольное и поперечное плечи всплески затухания будут как левее, так и правее полосы пропускания.

Рис 12.

Рис 13.