РАСЧЕТ и ИЗГОТОВЛЕНИЕ КВАРЦЕВЫХ ФИЛЬТРОВ

А.КУЗЬМЕНКО (RV4LK),

г.Ульяновск.

РАСЧЕТ и ИЗГОТОВЛЕНИЕ КВАРЦЕВЫХ ФИЛЬТРОВ

Прежде чем приступать к изготовлению кварцевого фильтра, следует запастись достаточным количеством кварцевых резонаторов, по возможности, с некоторым запасом, так как часть из них может быть отбракована в процессе проверки. Устанавливать в фильтр новые кварцы нецелесообразно — как и другие детали, они подвержены старению. Наиболее интенсивно кварцы меняют свою частоту в первый год после выпуска — относительный уход частоты за этот период составляет 20x10"6 в год. Так, кварц на 9 МГц за первый год может изменить свою частоту на 20x10-6 х 9x10 6 = 180 Гц, что весьма ощутимо. За последующие 2...4 года относительный уход частоты равен 10 -6 в год, т.е. 9 Гц, что не скажется на параметрах кварцевого фильтра.

Старению подвержены и конденсаторы, поэтому, как и кварцы, они должны "вылежаться" несколько лет (3...5). Кварцевые резонаторы следует приобретать из одной партии, так как в ее пределах разброс параметров кристаллов невелик. Для получения хороших параметров фильтров разброс частот последовательных резонансов кварцев не должен превышать 0,1 от полосы пропускания фильтра, для получения отличных — 0,01, т.е., например, для кварцевого фильтра с полосой пропускания 3000 Гц разброс не должен превышать ±150 (15) Гц от среднеарифметического значения частот последовательного резонанаса Fs всех кварцевых резонаторов.

Теперь перейдем к определению электрических параметров кварца. Помимо проверки частот последовательного (Fs) и параллельного резонансов (Fp), кварцы следует проверить на активность (добротность) и наличие паразитных резонансов. Для этого собираем простую технологическую схему (рис.1), приведенную в [1].

Генератор Г4-102 лучше не применять, так как у его выходного сигнала плохая форма и не очень стабильная амплитуда при перестройке частоты генератора. Вместо ГСС и ВЧ-вольтметра лучше использовать измеритель частотных характеристик Х1-38. При отсутствии приборов, их можно заменить генератором шума и радиоприемником (рис.2). Вообще говоря, хороший приемник — это универсальный прибор, который можно использовать самыми разнообразными способами. При измерениях в приемнике включается АРУ, а показания считываются либо по S-метру, либо (если он отсутствует) по включенному на выходе УНЧ тестеру.

На частоте последовательного резонанса Fs кварц эквивалентен последовательному колебательному контуру, следовательно, показания ВЧ-вольтметра или приемника максимальны. На частоте параллельного резонанса Fp кварц эквивалентен параллельному колебательному контуру, и показания приборов минимальны.

Резонаторы, которые имеют уровень побочных колебаний более 0,1 от основного, в фильтрах с числом резонаторов меньше четырех применять не рекомендуется. Нельзя применять и малоактивные (с малой добротностью) резонаторы, которые на основной частоте развивают напряжение на 25% меньше, чем остальные. Паразитные резонансы, которые отстоят от основного на 50....70 кГц, можно не учитывать.

Основным затруднением при изготовлении кварцевых фильтров является не наличие или отсутствие приборов, а принципиальная невозможность точного определения Fp, на которую оказывают влияние все паразитные емкости схемы, в том числе и емкость кварцедержателя (панельки). Однако Fp можно определить экспериментально. Требуется лишь частотомер, позволяющий измерять частоту с точностью до 10 Гц, и два эталонных конденсатора — С1 и С2, емкость которых известна с точностью до 0,1...1%. Для кварцев на частоты 3...10 МГц конденсаторы могут иметь емкость 39 пФ и 20 пФ. Если отсутствует возможность точного измерения емкости конденсаторов, эталонные конденсаторы можно изготовить самому. Для этого берем 5... 10 конденсаторов емкостью в 5...10 раз меньше необходимой и соединяем их параллельно. Дело в том, что кривая разброса значений подчиняется закону нормального распределения Гаусса, она симметрична, и разброс величин в большинстве случаев гораздо меньше указанной величины допуска. При параллельном соединении конденсаторов происходит взаимная компенсация технологических разбросов их емкостей, и мы имеем действительно эталонный конденсатор Сэт. Кроме того, при параллельном соединении уменьшается паразитная индуктивность выводов конденсаторов (рис.3). Точность эталонного конденсатора будет заведомо лучше 1%, однако его температурный коэффициент емкости (ТКЕ) должен быть равен нулю. Пусть в нашем распоряжении имеются конденсаторы с ненулевым ТКЕ. Тогда при изготовлении эталонного конденсатора применяем общее правило:

-ТКЕ-С=+ТКЕ-С.

Например, если мы имеем конденсаторы емкостью 6,2 пФ со следующими ТКЕ: ПЗЗ — 3 шт., М47 — 2 шт. и МПО — 1 шт, получаем результирующий ТКЕ:

+33-3+0,1-47-2=+99-94= +0,05.

Таким образом, при изменении температуры на 1°С величина емкости возрастет на 0,05х10"6 1/°С.

Аналогично изготавливаем второй эталонный конденсатор.

Для измерения частоты последовательного резонанса собираем схему (рис.4), приведенную в [2] — это мультивибратор с эмиттерной связью, в котором кварц возбуждается вблизи Fs. Сначала нумеруем все кварцы. Для каждого кварца измеряется Fso. Результаты измерений заносятся в таблицу. Затем последовательно с каждым кварцем включаем конденсатор С1 и измеряем Fs1. Данные также заносим в таблицу. Аналогично измеряем Fs2. После этого находим среднеарифметическое значение Fs0, Fs1 nFs2.

Для расчета кварцевых фильтров нам необходимо знать величину индуктивности кварцевых резонаторов, которую мы находим методом трех частот:

где LK — в Гн; С1 и С2 — в пФ;

FsO. Fs1' Fs2 — в Гц.

Погрешность расчета по формуле (1) не превышает 2,5%.

Ниже приведены результаты расчета 4-, 6- и 8-кристальных фильтров с Чебышевской характеристикой для приема SSB и с характеристикой Баттерворта — для приема телеграфных сигналов (фильтры Баттерворта "звенят" меньше, но имеют меньшее затухание за полосой пропускания и худший коэффициент прямоугольности Кп — рис.5). Напомним, что коэффициент прямоугольности представляет собой отношение полос пропускания кварцевого фильтра при заданном уровне ослабления к полосе пропускания на уровне 0,7 (-3 дБ). Например, Кп равен 1,7, если полоса пропускания фильтра по уровню -60 дБ составляет 4,25 кГц, а по уровню -3 дБ — 2,5 кГц:

Кп=4,25/2,5=1,7.

(Окончание следует)

Содержание