Активные фильтры в приемных устройствах радиовещательного диапазона

Входные цепи любого радиоприемного устройства, называемые иначе преселекторами, предназначены для ослабления приема по зеркальному и соседнему каналам, а также для согласования входного сопротивления приемника с волновым сопротивлением или фидером антенны. В приемниках с одинарным преобразованием частоты, которое характерно для большинства радиовещательных приемников, ослабление зеркального канала обеспечивается преселектором, а ослабление соседнего канала происходит в основном в усилителе промежуточной частоты и частично в преселекторе. Основные требования, предъявляемые к преселектору, заключаются в следующем:

– на каждом из диапазонов радиоприемного устройства должно обеспечиваться требуемое перекрытие по частоте с заданным технологическим запасом;

– коэффициент передачи мощности в рабочем диапазоне частот должен быть максимально возможным, и его колебания при изменении частоты настройки в пределах каждого из диапазонов должны быть наименьшими;

– должно обеспечиваться требуемое ослабление сигналов на зеркальной и промежуточной частотах.

Если выполняются граничные условия, т.е. коэффициент передачи мощности преселектора стремится к единице при достижении возможно большего ослабления внедиапазонных сигналов, данное устройство является идеализированным полосовым фильтром.

На практике требования, предъявляемые к входным цепям радиоприемного устройства радиовещательного диапазона, не столь высоки, поэтому в зависимости от сложности изделия обычно применяется одноконтурная, гораздо реже — двухконтурная, входная цепь, представляющая собой перестраиваемый в пределах каждого поддиапазона узкополосный преселектор. Его преимуществом является относительно неплохое ослабление побочных каналов и близких к частоте приема помех. Но к недостаткам следует отнести сложности сопряжения контуров самого преселектора и гетеродина, наличие секций конденсаторов переменной емкости, относительно низкую стабильность параметров колебательных контуров в процессе эксплуатации при воздействии дестабилизирующих факторов и ряд других. Перестройка контуров преселектора посредством варикапов может привести к сужению динамического диапазона, что особенно проявляется в высокочастотных устройствах.

Возможны и другие варианты реализации преселектора. Так, в частности, высокие качественные показатели можно обеспечить посредством использования многоконтурных фильтров сосредоточенной селекции в каждом из поддиапазонов или путем применения в преселекторе наборов узкополосных кварцевых фильтров. Однако каждый их этих вариантов предполагает ухудшение весогабаритных характеристик и увеличение стоимости изделия.

Устранить ряд недостатков, присущих рассмотренным вариантам преселекторов, в значительной степени позволяют безындукционные фильтры на основе операционных усилителей (ОУ), более известные как активные фильтры. Такие фильтры в зависимости от требуемых характеристик могут быть использованы в качестве фильтров низких частот, фильтров высоких частот, а также полосовых и полосоподавляющих фильтров [1]. Однако до известного времени активные фильтры практически не применялись в высокочастотной технике из-за отсутствия ОУ с требуемой частотной характеристикой. И лишь появление ВЧ и СВЧ операционных усилителей у ряда производителей электронных компонентов, в частности, у компании Analog Devices, позволило реализовать универсальные свойства этих фильтров. Наличие ОУ в составе фильтра предоставляет дополнительную возможность усиления сигнала в пределах полосы пропускания.

Важной характеристикой активного фильтра является его порядок, определяемый числом содержащихся в нем реактивных элементов. В качестве реактивных элементов в таких фильтрах применяются, как правило, конденсаторы. Катушки индуктивностей практически не используются из-за низких весогабаритных характеристик и высокой стоимости. От порядка фильтра зависит крутизна амплитудно-частотной характеристики вне пределов полосы пропускания, которая равна 6n дБ/октава, где n — количество реактивных элементов в фильтре. Если n = 4, крутизна соответственно составляет 24 дБ/окт. или 80 дБ/дек.

Наибольшее распространение получили три типа активных фильтра: Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Достоинство фильтра Баттерворта заключается в наиболее плоской характеристике в пределах полосы пропускания, но основным недостатком является относительно малая крутизна среза за этими пределами. Увеличение порядка фильтра с целью существенного улучшения крутизны связано с дополнительными схемотехническими затратами. Фильтр Бесселя, обладая наилучшей фазовой характеристикой, имеет еще меньшую крутизну среза по сравнению с фильтром Баттерворта. Преимуществом фильтра Чебышева является достаточно хорошая крутизна характеристики при допустимых для большинства применений неравномерностях в пределах полосы пропускания, что обеспечивает минимизацию схемотехнических затрат при практической реализации фильтра.

Имеются разнообразные схемотехнические приемы, позволяющие реализовать активные фильтры с требуемыми функциями, но при выборе реальной схемы фильтра необходимо учитывать ряд требований [1, 2]:

– фильтр должен содержать минимальное количество элементов, как активных, так и пассивных;

– малое влияние разброса параметров элементов, в особенности значений емкостей конденсаторов;

– отсутствие высоких требований к применяемому операционному усилителю;

– простота регулировки.

Обычно для реализации фильтров второго порядка низкой и высокой частот (см. рис. 1 и 2) требуются по две RC-цепи и один операционный усилитель. При необходимости в изделии фильтра третьего (нечетного) порядка ко входу фильтра второго порядка дополнительно подключается RC-цепь, а фильтры более высоких порядков можно получить путем каскадного соединения нескольких фильтров низших порядков. Выполнение функций полосового фильтра достигается путем каскадного включения фильтров низкой и высокой частот.

Рис. 1. Фильтр нижних частот

Рис. 2. Фильтр верхних частот

По способу включения элементов фильтра и ОУ в каждом каскаде возможна организация как отрицательной, так и положительной обратной связи. Но при втором решении коэффициент усиления усилителя должен быть нормирован и обладать высокой стабильностью. В каскадах фильтра целесообразно применять ОУ с низким уровнем шумов, высокой скоростью нарастания и граничной частотой, от трех до пяти раз превышающей частоту среза низкочастотного фильтра.

Различные методики расчета активных фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя [1—4] несколько различаются в подходах к проектированию при достижении практически идентичного конечного результата. Для расчета активных фильтров вплоть до шестого порядка может быть рекомендована методика [4], оперирующая нормированными значениями величин емкостей фильтра при различных аппроксимациях и неравномерностях характеристики в пределах полосы пропускания. Согласно этой методике первоначально выбирается требуемый вид передаточной характеристики, который определяется типом фильтра и его порядком. Для фильтра нижних частот передаточная характеристика представляется следующим образом:

K(p) = A0/pn + b1pn+1 +…+ bn–1p + bn,

где А0 — номинальный коэффициент передачи в переделах полосы пропускания; n — порядок фильтра; р — комплексная переменная.

Непосредственно частотная характеристика фильтра определяется полиномом в знаменателе уравнения, а полиномы Баттерворта, Чебышева и Бесселя различаются значениями коэффициентов b1—bn.

Для выбранного типа фильтра с учетом его порядка из таблицы определяются нормированные значения емкостей, величины которых приведены в фарадах для сопротивлений резисторов фильтра, равных 1 Ом. Следующим шагом является определение значений емкостей конденсаторов путем деления их нормированных значений на 2πfср, где fср — частота среза на уровне 1 дБ. На последнем шаге для получения удобных значений параметров сопротивлений из соответствующего номинального ряда (Е48, Е96, Е192) величины сопротивлений умножаются, а величины емкостей конденсаторов делятся на произвольный множитель М. Множитель может быть разным для каждого отдельного каскада фильтра.

Фильтры верхних частот получаются из фильтров нижних частот посредством замены резисторов соответствующими конденсаторами с учетом, что емкости конденсаторов равны 1 Ф, а конденсаторов — нормализованными резисторами 1/C. Последовательность расчета этого фильтра остается неизменной [4].

Практика применения данной методики, как и прочих методик [2,3], подтвердила достоверность предполагаемых результатов, но и выявила существенный недостаток. В результате расчета определяются величины емкостей и сопротивлений без учета разброса параметров реальных конденсаторов и резисторов, что в значительной мере приводит к изменению характера желаемой частотной характеристики фильтра и усложняет процесс регулировки при изготовлении. Поэтому отмеченные методики можно рекомендовать для расчета активных фильтров, использование которых в электронной аппаратуре не оказывает большого влияния на основные качественные показатели изделия.

Расчет активных фильтров более высоких порядков целесообразно проводить в среде Filter Solutions 2006 (Version 11.0.2) [5], позволяющей выполнить синтез пассивных и активных фильтров, в том числе Баттерворта, Чебышева, Бесселя, Гаусса и других вплоть до двадцатого порядка, а также цифровых фильтров разных модификаций. Одновременно с синтезом фильтров обеспечивается возможность проведения анализа и коррекции частотной и фазовой характеристик с учетом допускового разброса параметров элементов фильтра.

Для исследования возможностей применения в преселекторах радиоприемных устройств на частотах до 25 МГц были апробированы различные варианты схемной реализации фильтров девятого порядка Чебышева и Койе при неравномерностях частотной характеристики в пределах полосы пропускания 0,5 дБ и 1 дБ. Фильтры Койе также известны под названием «эллиптические фильтры». Выбор этих фильтров обусловлен достаточно высокой крутизной среза их частотной характеристики, составляющей 180 дБ/дек., а величина порядка фильтра оптимизирована с учетом требуемого количества ОУ в функциональном узле. На частотах вплоть до 10 МГц применялись ОУ типа AD8034, но на более высоких частотах усилители типа AD8004.

Компонент AD8034 конструктивно представляет собой сдвоенный ОУ с малым уровнем шумов, граничной частотой 80 МГц, скоростью нарастания порядка 80 В/мкс. Компонент AD8004 является счетверенным ОУ с граничной частотой 250 МГц и скоростью нарастания, достигающей 3000 В/мкс. Каждый из указанных компонентов способен функционировать как при однополярном, так при двуполярном источнике питания. Один из вариантов схемы полосового активного эллиптического фильтра, состоящего из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, приведен на рисунке 3.

Рис. 3. Полосовой активный фильтр девятого порядка

Выводы

Практическая апробация фильтров Чебышева и эллиптических фильтров в качестве преселекторов подтвердила возможность их применения в радиоприемных устройствах радиовещательного диапазона. Параметры изготовленных фильтров в целом соответствовали рассчитанным значениям. Тем не менее был выявлен ряд недостатков, затрудняющих их применение.

В фильтрах с положительной обратной связью на частотах свыше 5 МГц наблюдалась тенденция к самовозбуждению. Этот эффект удавалось устранить путем тщательного подбора номиналов элементов, некоторого снижения коэффициента усиления и за счет соответствующей компоновки элементов и трассировки платы. В фильтрах с отрицательной обратной связью эффект самовозбуждения не наблюдался. На частотах свыше 7 МГц величины емкостей конденсаторов в ряде каскадов фильтра составляют доли пикофарад. Такие величины удавалось получить за счет емкости монтажа или посредством требуемой конфигурации печатных проводников.

Литература

1. Hank Zumbahlen. ANALOD FILTERS. Op Amp Applications. Copyright © 2002 By Analog Devices Inc,ISBN 0-916550-26-5.

2. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. — М.: «Мир». 1998.

3. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. — М.: «Мир», 1982.

4. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители//Справочное пособие по применению. — М.: Энергоатомиздат. 1982.

5. www.filter-solutions.com.