radio 11

8/18/2019 Radio 11

1/15

Amplificatoare de frecven ţă intermediar ă

1

9. Amplificatoare de frecvenţă intermediară (AFI)

9.1. Caracteristici de bază. Indici de calitate. Cerinţe. Clasificări

Amplificatorul de frecvenţă intermediar ă este un amplificator pe frecvenţă fixă -frecvenţa intermediar ă, format din mai multe etaje de amplificare şi filtre trece bandă (FTB).Amplificarea se realizează cu TB, TEC sau CI. Ca filtre trece bandă se folosesc circuite LCacordate, filtre piezoelectrice, filtre mecanice sau filtre active. Numărul de etaje din AFIdepinde de amplificarea necesar ă, de frecvenţa de lucru şi de lărgimea benzii de trecere.

Principalele caracteristici, indici de calitate şi unele cerinţe pentru AFI

1. Frecven ţ a intermediar ă (FI) este de regulă frecvenţa medie a benzii de trecere (care poate fi50 kHz ÷ 100 MHz).

- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MA f i = 450 ÷ 480 kHz

- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MF f i = 10,7 MHz (sau 8,4 MHz)- la receptoarele de televiziune - f i imagine = 38 MHz - f i sunet = 31,5 MHz - a II-a f i sunet = 5,5 MHz (sau 6,5 MHz)

2. Amplificarea în tensiune pe f i este cuprinsă între 103÷105 (60÷100 dB) şi reprezintă cea mai

mare parte din amplificarea totală a unui receptor.3. Banda de trecere a AFI reprezintă domeniul de frecvenţă în care amplificarea nu scade sub

3 dB faţă de valoarea maximă (adică de 2 ori). Aceasta determină banda întregului receptorşi fidelitatea acestuia. Pentru a nu apare distorsiuni, trebuie ca banda AFI să fie mai maredecât banda semnalului:

- la receptoarele radiotelegrafice banda este de sute de Hz;- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MA banda AFI = 6÷8 kHz;- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MF banda AFI = 150÷300 kHz;- la receptoarele de televiziune banda AFI = 4÷8 MHz.

4. Selectivitatea fa ţă de canalul adiacent reprezintă raportul (în dB) dintre amplificarea lafrecvenţa medie din bandă şi amplificarea la un anumit dezacord f , egal cu diferenţa întredouă canale vecine:

( )( ) 20log

( )

U i

U i

A f S dB

A f f =

(9.1)

- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MA: f = ±9 kHz, S = 20 ÷ 60 dB;

- la receptoarele pentru radiodifuziune cu MF: f =±

300 kHz, S = 20÷

60 dB;5. Coeficientul de rectangularitate al caracteristicii de amplificare-frecvenţă se defineşte caraportul dintre banda la o atenuare σ şi banda la 3dB:

r

Bk

B

σ

σ

= (9.2)

Cu cât k r σ este mai apropiat de unitate, cu atât AFI este mai selectiv.6. La receptoarele profesionale, banda de trecere şi selectivitatea se impun prin gabaritulcaracteristicii amplificare-frecven ţă (Fig. 9.1).

8/18/2019 Radio 11

2/15


2

Se impune ca lărgimea caracteristicii să fie mai mare decât B la atenuarea de 3dB (sau

6dB) şi mai mică decât anumite valori Bσ1, Bσ2 la atenuările σ1 şi σ2. Caracteristica trebuie să fie simetrică faţă de f i .7. Caracteristica faz ă-frecven ţă interesează la AFI din receptoarele stereofonice şi la cele celucrează în regim de impulsuri. În aceste cazuri se cere o caracteristică cât mai liniar ă în jurulfrecvenţei f i .8. Dinamica RAA este raportul, în dB, dintre amplificarea maximă şi minimă.

- în AFI pentru receptoarele de radiodifuziune cu MA trebuie să se realizeze odinamică RAA > 40dB, pentru receptoarele simple, şi de 80÷100dB la cele profesionale;

- la AFI pentru receptoarele MF nu se prevede RAA.9. Alte cerin ţ e impuse AFI: zgomot propriu cât mai redus, să fie stabil, să se poată regla uşor,să prezinte o fiabilitate cât mai bună, preţ de cost cât mai mic.

Clasificarea AFI

După lărgimea benzii de trecere: - AFI de bandă îngustă, la care B/ f i < 0,1;- AFI de bandă largă, la care B/ f i > 0,1.

După dispozitivele de amplificare utilizate: cu TB, TEC, sau CI.După modul de repartizare a amplificării şi selectivităţii:

AFI cu amplificare şi selectivitate distribuite:- cu etaje având ca sarcină circuite LC singulare acordate pe aceeaşi frecvenţă;- cu circuite singulare decalat acordate;- cu circuite LC dublu acordate, mixte.

AFI cu amplificare şi selectivitate concentrate:- după modul de realizare a amplificării: - cu piese discrete

- cu circuite integrate.- după tipul filtrului cu selectivitate concentrată (FSC):

cu filtre LC multicelulare, active, piezoelectrice, electromecanice.

9.2. AFI cu etaje având ca sarcină circuite LC singulare acordate pe aceeaşi

frecvenţă

Obţinerea unei amplificări de 103÷105 necesită utilizarea mai multor etaje deamplificare în cascadă. Cea mai simplă variantă de AFI constă din câteva etaje de amplificare(ca în Fig. 9.2) acordate pe aceeaşi frecvenţă.

Fig. 9.1. Definirea gabaritului caracteristicii amplitudine-frecvenţă

1

f i

1 2

11 σ

21 σ

f

1 Bσ

2 Bσ

B

( )

( )

u

u i

A f

A f

8/18/2019 Radio 11

3/15


3

Tranzistorul este polarizat obişnuit cu divizor în bază şi rezistenţă serie în emitor.Sursa de alimentare are la masă polul pozitiv care polarizează colectorul. Acesta permiteînchiderea locală a curentului de înaltă frecvenţă f ăr ă utilizarea unor filtre suplimentare. Princondensatorul CE emitorul tranzistorului este la masă.

În AFI tranzistoarele se utilizează în conexiune EC (SC pentru TEC), deoarece acesteaasigur ă cea mai mare amplificare în putere, iar f i este

8/18/2019 Radio 11

4/15

8/18/2019 Radio 11

5/15


5

20 0

( )

0

1 1

11

rs s in i i P c

i

G P G G G LQ LQ Q A

G G G Q

LQ

ω ω

ω

= = = = = (9.17)

Amplificarea tranzistorului este:2( )

( )

211

1

out t

p t

inin

B

P U G A

P U g

R

= =

⎛ ⎞

⎟

⎝ ⎠

(9.18)

unde g 11 reprezintă conductanţa echivalentă din intrarea tranzistorului Tm, iar

1 2|| B B B R R R .

Utilizând (9.4), (9.11) şi (9.12) în (9.18), se obţine:2

2 2

( )2

1111

11

g m in

g m i

p t

in B B

P g U

P g L QG A

g U g R R

ω

= =⎛ ⎞

⎟

⎝ ⎠

(9.19)

Din (9.17) şi (9.19) rezultă amplificarea în putere pe un etaj:2 2

10

( ) 1 g m

p i

in

P g Q A L Q

G Qω

⎛ ⎞

=

⎟

′

⎝ ⎠

(9.20)

unde:

11

1in

B

G g R

′

=

(9.21)

Datorită capacităţii de reacţie a tranzistorului, C r = C μ, apare pericolul de autooscilaţieşi se îngreunează alinierea circuitelor acordate.

Condi ţ ia de aliniabilitate:2 2

10,1 0,3s g i r m m m P P C g G G ÷ (9.22)

unde P s şi G m-1 se refer ă la circuitul din etajul m-1, iar P g şi G m la etajul m. Uzual, circuitelesunt identice şi condiţia de aliniabilitate devine:

22 2 0,1 0,3 /s g i r m i P P C g LQω÷ (9.23)

9.2.2. Caracteristica de selectivitate

Conform cu (9.14), amplificarea în tensiune pe un etaj la o frecvenţă oarecare ( f ) estede forma:

1

1( )

1 1

out g s m g s m

U g s m

in

U P P g P P g A f P P g

U Y G jx G j C

j Lω

ω

= = = =

(9.24)

unde:

x Q ;2i

i i i

f B

f f

ω

ω ω

= ≈ = (9.25)

Pentru un AFI cu n etaje identice, caracteristica de frecvenţă (selectivitate) se exprimă

cu ajutorul caracteristicii unui etaj:

8/18/2019 Radio 11

6/15


6

10 0

/ 22 21 1

n

U U U n

A A A

Q Q

⎛ ⎞

⎜ ⎟

= =

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎡ ⎤

⎝ ⎠

⎣ ⎦

(9.26)

unde0 10

n

U U

A A .

Banda caracteristicii de frecvenţă la o atenuare σ se obţine punând condiţia:

2

/ 22

0

1 1 1 B 1

1

U ni

nU

i

A f

A Q B Q

f

σ

σ

σ

σ σ

= ⇒ = ⇒ =

⎡ ⎤

⎛ ⎞

⎢ ⎥

⎜ ⎟

⎢ ⎥

⎠

⎣ ⎦

(9.27)

În cazul particular 2= se obţine banda de trecere:

2 1ni f

BQ

=

(9.28)

Observaţie: banda globală este mai mică decât banda unui singur etaj.Coeficientul de rectangularitate al caracteristicii de frecvenţă este:

2 1

2 1

n

r n

B K

B

σ

σ

σ

= =

(9.29)

Amplificatoarele de FI cu circuite singulare asigur ă o selectivitate scăzută. Deexemplu pentru σ = 100 (40dB) şi 4 etaje, din relaţia (9.29) ⇒ K r 100 = 7 >> 1.

9.3. AFI cu etaje având ca sarcină două circuite acordate cuplate între ele

În cea mai r ăspândită variantă de AFI cu amplificare şi selectivitate distribuite, fiecareetaj de amplificare are ca sarcină 2 circuite acordate pe frecvenţa centrală a benzii ( f i ), cuplateîntre ele. Astfel, la acelaşi număr de etaje de amplificare, se obţine o selectivitate mult mai

bună decât cu circuite singulare. Întrucât configuraţia formată din cele 2 circuite acordate peaceeaşi frecvenţă şi cuplate între ele este numită uzual filtru de bandă (FB), acest tip de AFIeste numit şi AFI cu filtru de bandă.

9.3.1. Cuplarea circuitelor acordate

În filtrele de bandă circuitele acordate se cuplează foarte slab între ele. În Fig. 9.3 searată principalele modalităţi de cuplare.

În variantele de cuplaj din Fig. 9.3. a), c) şi d), tensiunea indusă prin cuplaj într-uncircuit este propor ţională cu curentul prin celălalt circuit. ⇒ pătratul coeficientului de cuplajse defineşte ca raportul între pătratul reactanţei de cuplaj şi produsul reactanţelor, de acelaşifel, a circuitelor. Rezultă următoarele expresii pentru coeficienţii de cuplaj, k :

a) cuplaj prin inductanţă mutuală: k este chiar cuplajul magnetic dintre circuite:2

1 2 1 2

M M k

L L L L

ω

ω ω

= = (9.30)

c) cuplajul inductiv „în picior”:2

1 2 2 1 21 2

c c c

c c c

L L L

k L L L L L L L L L L

ω

ω ω

= = ≅⎡ ⎤⎤

⎦ ⎣ ⎦

(9.31)

8/18/2019 Radio 11

7/15


7

d) cuplajul capacitiv „în picior”:2

1 2

21 2

1 2 2

1

c

c c

c

C C C k C C C C C

C C C C

ω

ω ω

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠= ≅

⋅

(9.32)

La varianta de cuplaj din Fig. 9.3.b), tensiunea indusă prin cuplaj într-un circuit este propor ţională cu tensiunea pe celălalt circuit. Rezultă că pătratul coeficientului de cuplaj sedefineşte ca raportul între pătratul susceptanţei de cuplaj şi produsul între susceptanţele, deacelaşi fel, ale circuitului:

b) cuplaj capacitiv „în cap”:2

1 1 2 1 21 2

c c c

c c c

C C C k

C C C C C C C C C C

ω

ω ω

= = ≅

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎦⎦

(9.33)

Circuitul primar L1C1 fiind cuplat la colectorul tranzistorului, este mai puţin amortizat decâtcircuitul secundar L2C2, cuplat la intrarea tranzistorului următor. Rezultă că deşi C 1=C 2 şi

L1= L2, Q1 ≠ Q2. Se foloseşte adesea media geometrică pentru factorul de calitate echivalent:

1 2Q Q Q (9.34)

Produsul dintre factorul de calitate echivalent şi coeficientul de cuplaj se numeştecoeficient de cuplaj normat (indice de cuplaj g ):

a = k ⋅Q (9.35)

Fig. 9.3. Variante de cuplare a circuitelor în filtrele de bandă

a) b)

c) d)

Cc

L1 C2T1 C1 T2L2

T2

T1

C1

Cc

L1 C2 L2

T2

C2

L1

T1

L2

Lc

C1

C1

T2

C2

T1

L1

Pg

L2

Ps

U in U out

M

8/18/2019 Radio 11

8/15


8

În cazul schemelor din Fig. 9.3.b), c), d) - cuplajul este determinat de capacitatea sauinductanţa de cuplaj. Pentru a împiedica cuplarea

parazită a bobinelor prin fluxul magnetic descă pări, acestea se ecranează individual (figurat

punctat). Trebuie evitate buclele de cuplare pe

cablaj, precum şi cuplajele prin capacităţi paraziteîntre piese.

În cazul schemei din Fig. 9.3.a), bobinelese amplasează în acelaşi ecran (Fig. 9.4).Coeficientul de cuplaj este determinat de distanţadintre bobine şi este mult influenţat de ecran.Ajustarea cuplajului se poate face prin montareaunor beţe de ferită între bobine.

9.3.2. Caracteristica de frecvenţă

În continuare se va deduce ecuaţia caracteristicii de frecvenţă referindu-ne la schemadin Fig. 9.3.a), dar în final o vom pune într-o formă în care intervin numai coeficientul decuplaj normat (a), dezacordul generalizat ( β ) şi factorul de calitate. În această formă ecuaţiaeste valabilă pentru toate variantele de cuplaj.

Etajul de amplificare este considerat de la intrarea tranzistorului T1 până la intrareatranzistorului T2.

În Fig. 9.5.a) s-au adus pe circuitele acordate elementele conectate la prize, iar

capacităţile reflectate au fost cuprinse în C1 şi C2. Conductanţele de pierderi ale circuitelorsunt:2

1 01 22 g G G P g ;2

2 02 s inG G P G (9.36)

în care G 01 şi G 02 reprezintă conductanţele de pierderi proprii ale circuitelor.În Fig. 9.5.b) pierderile circuitelor s-au reprezentat ca rezistenţe serie, conform

relaţiilor:

1 11

1 1

i i L C Qr G

ω ω

= = ; 1 111

L G r

C = (9.37)

2 22

2 2

i i L C Qr G

ω ω

= = ; 2 222

L G r

C =

(9.38)

Fig. 9.5

a)

b)

G02C1 L2

*C2I

G01L1

*

I = P g g mU in

2

22 g P g 2

s in P G

M

C2

r1

IC1

L1

*

r2

L2

* I 1- I

I 1 I 2

U pout

s

s

U U

P =

M

Fig. 9.4. Principiul constructiv al filtrului de bandă cu cuplaj mutual

Beţe ferită pentru reglaj K

L1

C 1

Ecran

Carcasă

Miezuri reglaj L

L2

C 2

8/18/2019 Radio 11

9/15


9

Vom considera că circuitele sunt acordate pe aceeaşi frecvenţă:

1 1 2 2 2

1

i

L C L C ω

= =

(9.39)

Impedanţele serie ale circuitelor se pun în forma:

11 1 1 1 1 1

1 1

1 1 1i i i i i

j L Z r j L r r j Q j C r

ω ω

ω

ω ω ω

⎡ ⎤⎞= = =

⎥

⎟

⎢ ⎥

⎠

⎦

(9.40)

22 2 2 2 2 2

2 2

11 1i i i

i i

j L Z r j L r r j Q

j C r

ω ω

ω

ω ω ω

⎡ ⎤

⎞

= = =

⎥

⎟

⎢ ⎥

⎠

⎦

(9.41)

Curenţii 1 I şi 2 din circuitele acordate se determină cu ajutorul ecuaţiilor lui

Kirchhoff pe cele două ochiuri din Fig. 9.5.b):

1 1 1 1 21

2 2 2 12

10

1 0

I I I j L r j M I j C

I r j L j M I j C

ω ω

ω

ω ω

ω

⎧

=

⎪

⎪

⎨

⎛ ⎞⎪ =

⎟

⎪

⎝ ⎠

(9.42)

1 1 21

1 2 2

1

0

Z I j M I I C

j M I Z I

ω

ω

ω

⎧

=

⎪

⎨

⎪

=

⎩

(9.43)

După rezolvarea sistemului (9.43), rezultă cei doi curenţi:

2

1 2

1 1 2

Z I I

j C Z Z M ω=

⎡ ⎤

⎣ ⎦

(9.44)

2 2

1 1 2

IM I

C Z Z M =

⎡ ⎤

⎣ ⎦

(9.45)

Generatorul de curent echivalent din schema din Fig. 9.5.b), se scrie:

e g g g m in P I P g U = (9.46)

Indiferent de tipul prizei folosită la ieşirea din filtrul de bandă, întrucât în jurulrezonanţei tensiunea pe condensator este egală cu tensiunea pe inductanţă, se poate scrie:

2 22 1 2 1 2

1out g m in

s

U P g U M I

P j C j C C Z Z M ω ω= ⋅ =

⎡ ⎤

⎣ ⎦

(9.47)

2

1 2 1 2

out g s m

u

in

U jP P g M A

U C C Z Z M ω= =

⎡ ⎤

⎣ ⎦

(9.48)

Înlocuind (9.40) şi (9.41) în expresia amplificării (9.48), se obţine:

221 2 1 2 1 2 1 2 1 21

g s m

u

jP P g M A

C C r r Q Q j Q Q M r r ω=

⎡ ⎤

⎣ ⎦

(9.49)

În expresia de mai sus se fac următoarele transformări, valabile în vecinătateafrecvenţei de rezonanţă ( i ω ):

2 2 2 2

2 2 21 21 2

1 2 1 2 1 2i i

M M Q Q M Q Q k Q ar r L L L Lω ω

ω ω

= ≈ = =

(9.50)

8/18/2019 Radio 11

10/15


10

22 2 1 1 2 2

1 2 1 2 1 2 1 2 1 221 2 i

L G L G C C r r C C G G G G

C C

ω

ω ω

ω

= ⋅ = ≈ (9.51)

Din (9.50) şi (9.51), rezultă:

1 2

1 2 1 2

G G M

C C r r aω=

(9.52)Utilizând (52) în (49) se obţine:

2 21 2 1 2 1 21

g s m

u

jP P g a A

G G a Q Q j Q Q = ⋅

(9.53)

Amplificarea la frecvenţa de rezonanţă a ansamblului tranzistor - filtru de bandă este:

0 1 22 21 2

( 0)1 1

g s m

u u g s m

P P g a a A A P P g R R

a aG G

= = ⋅ =

(9.54)

unde: 1 11 R G , 2 21 R G .

Variaţia modulului amplificării cu frecvenţa, din (9.53), se exprimă:

2 22 2 21 21 2 1 21

g s m

u

P P g a A

G G a Q Q Q Q

=

(9.55)

Din (9.55), ţinând cont de (9.54) se obţine:

2

2 22 2 201 2 1 2

1

1

u

u

A a

Aa Q Q Q Q

=

(9.56)

Derivând relaţia de mai sus în raport cu β , pentru a găsi punctele de extrem, se obţinsoluţiile:

1 0= ;2 1 2

2,3

1 2 2 1

1 1

2

Q Qa

Q Q Q Q

⎡ ⎤

⎞

= ±

⎥

⎟

⎝ ⎠

⎦

(9.57)

Dacă 1 2

2 1

1

2

Q Qa

Q Q

⎛ ⎞

<

⎟

⎝ ⎠

(9.58)

β 2, β 3 sunt imaginare şi caracteristica prezintă un singur maxim la frecvenţa f i de acord acircuitelor ( β = 0).

Dacă 1 2

2 1

1

2

cr

Q Qa a

Q Q

⎛ ⎞

= =

⎟

⎝ ⎠

(9.59)

numit cuplaj critic şi caracteristica de frecvenţă prezintă la frecvenţa de acord a circuitelor unmaxim plat (de ordinul 3): f i ( β 1 = β 2 = β 3 = 0);

Dacă cuplajul este mai mare decât cel critic ( cr a a ) caracteristica de frecvenţă

prezintă un minim pe frecvenţa de acord a circuitelor (la 1 0= ) şi două maxime laterale (la

β 2 şi β 3). Maximele se îndepărtează de frecvenţa de acord ( f i ) pe măsur ă ce cuplajul creşte.

8/18/2019 Radio 11

11/15


11

În practică cele două circuite acordate au condiţii diferite de amortizare, dar de celemai multe ori diferenţa dintre factorii de calitate este mică. Aproximaţia 1 2Q Q Q=

simplifică ecuaţia caracteristicii de frecvenţă şi este foarte mult utilizată practic:2

22 2 20

1

1 4

u

u

A a

Aa x x

=

; x Q (9.60)

Pentru cuplajul critic, în aproximaţia 1 2Q Q , avem:

1cr a = ;1

cr k Q

=

(9.61)

4 22

0

2 1

4 12

u

u

A

A x x

= =

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

(9.62)

9.3.3. Banda de trecere şi coeficientul de rectangularitate

Pentru aplicaţii practice, cea mai convenabilă caracteristică de transfer se obţine lacuplajul critic.• La cuplaj supracritic banda se lărgeşte (uneori este un avantaj), dar apare neuniformitate în

bandă, iar acordarea circuitelor este dificilă;• La cuplaj subcritic banda se îngustează şi scade amplificarea.

Întrucât acordarea circuitelor se face uşor la cuplaj subcritic, se utilizează cuplaje înintervalul 0,8 1a = .

Pentru un AFI cu n etaje, având ca sarcină circuite cuplate critic, caracteristica defrecvenţă normată este dată de:

220

1

12

n

u

u

A

A x

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎠

(9.63)

din care se deduce banda la o atenuare σ, banda la 3 dB şi coeficientul de rectangularitate:

Fig. 9.6. Caracteristici de frecvenţă pentru un etaj AFI cu filtru de bandă

f i

f

K cr

K > K cr

K < K cr

0

u

u critic

A

A

8/18/2019 Radio 11

12/15


12

42

0

1 1 1

4

u n

u i

A BQ

A f

σ

σ

σ

⎛ ⎞

= ⇒ =

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⇒ 4 22 1ni f

BQ

σ

(9.64)

42 2 1ni f

BQ

=

(9.65)

2

41

2 2 1r n

B K σ

σ

σ

= =

(9.66)

Pentru o singur ă celulă de filtrare ( 1n =

), banda la 3 dB este mai mare decât bandaunui singur circuit acordat (cu acelaşi Q):

2i f

BQ

=

(9.67)

Rectangularitatea caracteristicii de frecvenţă a AFI cu filtre de bandă este mult mai bună decât în cazul circuitelor singulare.

De exemplu, din relaţia (9.66) rezultă pentru n = 2: K r 100 ≅ 4; pentru n = 4 ⇒ k r 100 ≅ 2.

9.4. AFI cu amplificare şi selectivitate concentrată

În radioreceptoarele cu circuite integrate, funcţiile de amplificare şi filtrare pe f i suntseparate: amplificarea este realizată cu un C.I. (sau o parte dintr-un C.I.), iar selectivitatea esterealizată cu un filtru cu selectivitate concentrată (FSC).

Filtrul se conectează între mixer şi AFI. Demodularea semnalului se face de regulă înacelaşi C.I. cu AFI.

Prin separarea funcţiei de amplificare şi selectivitate se obţin avantaje importante:• stabilitatea se îmbunătăţeşte deoarece nu mai există etaje cu circuite acordate la I/E;• filtrele de selectivitate concentrată au o caracteristică de selectivitate apropiată de cea

ideală (rectangular ă): transferul este aproape constant în bandă şi scade foarte repede înafara ei ⇒ fidelitate şi selectivitate foarte bune;

•

FSC atenuează puternic semnalele perturbatoare de la ieşirea mixerului, înainte de aajunge la primul tranzistor din AFI.

Tipul FSCDomeniul de

frecvenţe [MHz] Q echivalent

Coef. de temp. al frecv.(10-6K -1)

1. Active 0,01 ÷ 0,05 100 ÷ 1000 502. LC multicelulare 0,05 ÷ 100 100 ÷ 500 503. Piezoceramice 0,01 ÷ 10 100 ÷ 3000 204. Piezoelectrice cu cuar ţ 0,01 ÷ 100 (10 ÷ 1000)103 0,15. Electromecanice 0,01 ÷ 1 (10 ÷ 50)103 1

Tabelul 9.1

Fig. 9.7. Bloc FI cu amplificare şi selectivitate concentrate

Mixer FSC AFI Demod.

Bloc FI

f s

f h

f i f m

8/18/2019 Radio 11

13/15


13

1. Filtrele active – în tehnologiile actuale ating domeniul uzual al f i : 0,05 ÷ 100MHz;2. Filtrele LC multicelulare - acoper ă domeniul f i , preţ de cost scăzut dar performanţe foarte

scăzute;3. Filtrele piezoceramice - performanţe bune, dimensiuni mici, fiabilitate bună, preţ de cost

scăzut;

4.

Filtrele piezoceramice cu cuar ţ - cele mai performante, stabilitatea de frecvenţă cutemperatura este foarte bună, dar sunt scumpe;

5. Filtrele electromecanice - foarte bune, dar nu pot fi realizate pentru f > 1 MHz.

9.5. Filtre piezoceramice

9.5.1. Rezonatoare piezoelectrice

Efect piezoelectric direct = sub acţiunea for ţelor mecanice se schimbă distanţeledintre atomi şi se schimbă polarizaţia.

Efect piezoelectric invers = constă în modificarea dimensiunilor sub acţiuneacâmpului electric.Materiale piezoelectrice utilizate pentru realizarea filtrelor:

• cuar ţul (SiO2) monocristalin;• materiale ceramice piezoelectrice;• soluţii solide de titanat şi zirconat de Pb (PbTiO3 şi PbZrO3).

Elementul de bază din filtrele piezoelectrice este rezonatorul = o plachetă piezoelectrică metalizată pe ambele feţe (Fig. 9.8.a)).

Sub acţiunea unei tensiuni alternative aplicată între armături, în plachetă apar vibraţiiîn diverse moduri: în grosime, de torsiune, de forfecare, de încovoiere. Placheta piezoelectrică se fixează în construcţia mecanică astfel încât vibraţiile în modul dorit să nu fie amortizate, iar

pe alte moduri, pe cât posibil împiedicate.

Între armături rezonatorul prezintă o anumită impedanţă ce caracterizează transferul deenergie de la sursa de semnal electric la rezonator. Energia consumată este propor ţională cu

pătratul amplitudinii de vibraţie şi constă din pierderi prin frecări interne şi frecări cu aerul.• La frecvenţa de rezonanţă mecanică: amplitudinea vibraţiilor fiind maximă ⇒ că energia

absorbită va fi maximă, iar impedanţa va prezenta un minim (Fig. 9.8.c)) ⇒ se producunde staţionare.

Fig. 9.8. Rezonatorul piezoelectric

a) construcţia b) simbol c) caracteristica d) modelul electric

C0

Rm CmLm

Bm

Bm

f f a f r

r m

Z

(log)

U I

Metalizări

Plachetă piezoelectrică

8/18/2019 Radio 11

14/15


14

• La frecvenţe imediat superioare frecvenţei de rezonanţă ( f r ), formarea undelor staţionareeste împiedicată, iar amplitudinea vibraţiilor şi energia absorbită scad repede cu frecvenţa⇒ că Z creşte atingând un maxim la frecvenţa de anti-rezonanţă, f a, după care scade dinnou.

Rezultă că:

- în jurul rezonanţei, Z poate fi modelată cu un circuit LC serie;- în jurul anti-rezonanţei, Z poate fi modelată cu un circuit LC paralel.

Lm, r m, C m reprezintă inductanţa, rezistenţa şi capacitatea mecanică;C 0 reprezintă capacitatea dintre armături (≅ 1pF la rezonatorul cu cuar ţ şi ≅100pF la celeceramice).

Astfel circuitul echivalent prezintă o frecvenţă de rezonanţă serie ( f s) şi una paralel( f p):

0

0

1 1,

22

s r p a

m m mm

m

f f f f L C C C

LC C

π

π

= = = =

(9.68)

2 2

02 20

1 1 p pm

m

s s

f f C C C

C f f

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⇒ =

⎜ ⎟

⎝ ⎠

(9.69)

Factorul de calitate echivalent al rezonatorului este:2 s m

m

m

f LQ

r

π

= (9.70)

Elementele circuitului echivalent pot fi determinate cu relaţiile de mai sus, determinândexperimental f s, f p, C 0 şi B la o variaţie de 3 dB a impedanţei în jurul rezonanţei:

2

s mm

m m

f r B

Q L

= = (9.71)

Frecvenţa de rezonanţă depinde de dimensiunile rezonatorului şi de modul de vibraţie:- pt. frecvenţe înalte, >10 MHz, se foloseşte modul de vibraţie în grosime;- pt. frecvenţe ≅ 10MHz, se folosesc vibraţiile de torsiune şi forfecare;- pt. frecvenţe ≅ 1 MHz, se foloseşte modul de vibraţie radial.- pt. frecvenţe joase, se folosesc vibraţii de încovoiere.Un rezonator prezintă mai multe frecvenţe de rezonanţă pe un anumit mod de vibraţie.

Acelaşi rezonator poate prezenta rezonanţă pe mai multe moduri de vibraţie. Rezonanţelenedorite pot fi reduse sau anulate utilizând anumite forme de armături şi sisteme de fixare.

Fig. 9.9. Caracteristica rezonatorului pe o plajă largă de frecvenţe

TonSupratonuri

Moduri parazite

Z

f

8/18/2019 Radio 11

15/15


15

9.5.2. Filtre monolitice

Filtrele monolitice constau din două sau mai multe rezonatoare realizate pe aceeaşi plachetă piezoelectrică, cuplate între ele printr-un mediu elastic.

Structura de principiu a unui filtru monolitic cu 3 rezonatoare pe modul de vibraţie în

grosime este dată în Fig. 9.10.

Semnalul electric la intrare produce vibraţii în grosime în primul rezonator (R 1) prinefect piezoelectric invers. Aria de vibraţie se extinde şi în afara metalizărilor rezonatorului.Amplitudinea vibraţiilor scade însă exponenţial cu distanţa de la marginea metalizărilor.Vibraţiile ce ajung la al doilea rezonator produc rezonanţă între metalizările acestuia şi aşamai departe, până la ultimul rezonator, unde vibraţiile mecanice sunt reconvertite în semnalelectric prin efect piezoelectric direct.

Cuplajul dintre rezonatoare este controlat prin distanţa „d” dintre marginilemetalizărilor. Dacă d >10g, cuplajul este practic zero. Coeficientul de cuplaj determină bandafiltrului: cu cât cuplajul este mai puternic, cu atât banda este mai largă.

În modelul electric al filtrului (Fig. 9.11) apare un număr de circuite LC cuplate, egalcu numărul de rezonatoare. Cuplajul elastic este modelat cu o capacitate CC, de cuplaj

capacitiv interior.

Având în vedere modelul electric rezultă proprietăţile filtrelor monolitice sunt similarecu ale FSC tip LC multicelulare, dar cu unele avantaje: stabilitate cu temperatura şi factor decalitate mare.

Intrarea şi ieşirea din filtru se fac prin prize capacitive coborâtoare, impedanţacaracteristică Rc fiind adusă la o valoare de ordinul k Ω, adecvată pentru cuplare la TB şi C.I.:

0

0,1mC

pC

≈ ≈ ; 0c mC C C (9.72)

2 0,01in out c c R R p R R= ≈ (9.73)

Observa ţ ie: nu întotdeauna rezistenţele de ieşire şi intrare sunt egale.

Fig. 9.10. Filtru monolitic pe modul de vibraţie în grosime

Simbol g

d Rezonator

Plachetă piezoelectrică

R1 R2 R3

Lm

Rout

CmCm RmLm

Rin

CmRmRm

Cc

Lm

C0 Cc C0

Fig. 9.11. Echivalentul electric al filtrului din Fig. 9.10

radio 11

Documents