Лестничный кварцевый фильтр с переключаемой полосой.

После написания статьи о коммутации полосовых фильтров меня не оставляло желание сделать что-то еще с переключением :). И я решил сделать "подчисточный" кварцевый фильтр с переключаемой полосой пропускания, тем более, что дядюшка Ху прислал мне пакетик кварцев на 8 МГц.

Рис. 1. Кварцы на 8 МГц.

Как я писал в своих статьях о кварцевых фильтрах, начинал я мостовых фильтров, при изготовлении которых требовалось подгонять частоту кварцевого резонатора. Процедура тонкая, но результат был, тем более, что большого количества кварцев в конце 80-х было еще не достать. А теперь кварцев полно, а вот подогнать их частоту весьма затруднительно, так как они в сварном корпусе. Поэтому я перешел на лестничные фильтры.

В начале меня пугали сложные расчеты, при которых нужно было сначала определить емкость и индуктивность кварцев, а потом рассчитывать емкость конденсаторов, но потом появились программы для расчета (например: http://qrx.narod.ru/prog/r_kf.htm или здесь https://prograham.jimdofree.com/калькуляторы/). Ну и появился собственный опыт.

Чем мне нравятся лестничные фильтры - так это возможностью легко менять полосу пропускания фильтра, изменяя емкость конденсаторов. И очень мне понравился фильтр трансивера Elecraft K2, где для изменения полосы пропускания используются варикапы. Недостатком такого фильтра является необходимость имет варикап с очень широким диапазоном перестройки емкости - от 30 до 500 пФ.

Теперь рассмотрим принцип работы такого фильтра. Вот схема лестничного фильтра на трех кварцах с изменяемой полосой пропускания.

Рис. 2. Схема лестничного фильтра с изменяемой полосой пропускания.

Всего три кварца и КПЕ от лампового приемника - и готово. Закономерность зависимости полосы пропускания от емкости КПЕ проста: максимальная полоса при минимальной емкости, максимальная - при максимальной емкости. Для китайских кварцев в корпусах, как на рис. 1 и емкостью 20 пФ ширина полосы по уровню -6 дБ будет примерно от 500 Гц до 2,5 кГц. Затухание за полосой пропускания - около 305 -40 дБ. А если максимальную емкость еще увеличить, можно ли получить полосу 100 Гц? Вряд ли. С увеличением емкости конденсаторов сильно растут потери в фильтре. И если они будут порядка 20 дБ, то вряд ли такой фильтр будет вам нужен.

Но КПЕ от лампового приемника - это нонсенс, с такими габаритами .... Поэтому возникает желание оптимизировать свои желания, как правительство оптимизирует здравоохранение :). Пусть будет только два значения полосы пропускания - широкая и узкая, но чтобы без КПЕ. Вот тут-то и приходит мысль о переключающий электронике. Я выбрал диоды.

Рис. 3. Схема 4-х кристального фильтра с переключаемой полосой.

Транзисторы я добавил для оптимизации нагрузки на входе и выходе фильтра. Как оно работает? В положении переключателя S1, показанном на рис. 4, напряжение питания через резисторы R3, R4, R5 подается на аноды диодов КД409 и открывает их. Так как сопротивление открытых диодов мало, то они закорачивают конденсаторы С7, С8, С9 и между резонаторами оказываются включены только конденсаторы С4, С5, С6 по 470 пФ. При этом АЧХ фильтра вот такая.

Рис. 4. АЧХ фильтра в режиме "узкая полоса".

Используя опцию "Анализ фильтра" программы NanoVNASaver получил вот такой результат:

Рис. 5. Результат анализа фильтра в режиме "узкая полоса".

Полоса пропускания по уровню -6 дБ получилась около 600 Гц, по уровню -60 дБ - около 9 кГц, добротность - более 13000. Очень неплохо для фильтра из 4-х резонаторов.

Если переключить S1 в другое положение, то аноды диодов (как и их катоды) будут соединены с общим проводом. В таком состоянии диоды закрыты, имеют высокое сопротивление и не шунтируют конденсаторы. В результате этого между резонаторами оказываются включены по два последовательно соединенных конденсатора (470 и 100 пФ). Полоса пропускания расширяется.

Рис. 6. АЧХ фильтра в режиме "широкая полоса"

Полоса по уровню -6 дБ стала более чем в два раза больше - 1,5 кГц. К сожалению, с анализом тут получается плохо.

Рис. 7. Результат анализа фильтра в режиме "широкая полоса"

Программа "захватывает" не всю полосу, а только первый горб (см. маркеры). Может кто-нибудь из читателей подскажет. как с этим справиться.

Фильтр я собрал на макетке.

Рис. 8. Фильтр с подключенной NanoVNA.

Рис. 9. Плата с фильтром.

Попробовал подпаять параллельно крайним кварцам еще по одному кварцу.

Рис. 10. АЧХ фильтра с дополнительными кварцами в режиме "узкая полоса".

АЧХ еще более обострилась, полоса по уровню -6 дБ всего 200 Гц. Уменьшились потери в фильтре.

Рис. 10. АЧХ фильтра с дополнительными кварцами в режиме "широкая полоса"

А в режиме "широкая полоса" полоса стала шире.

Хочу сказать, что я не подбирал ни кварцы, ни конденсаторы, ни диоды. Если "поиграть" емкостью конденсаторов, то можно улучшить АЧХ.

Ну и возникла идея сделать фильтр с тремя фиксированными значениями полосы пропускания.

Рис. 11. Схема фильтра с тремя полосами пропускания.

Думаю, идея понятна. Осталось ее воплотить.

Всем здоровья и успехов.