6

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 161 6.4. Linii de întârziere Domeniul radioelectronic a impus realizarea unor dispozitive care să asigure întârzierea unor semnale pe timpul prelucrării acestora. Televiziunea, sistemele de telecomunicaţii, sistemele de observaţie prin unde electromagnetice (staţii de radiolocaţie de control aerian, staţii pentru cercetări meteorologice, etc.) utilizează unele componente pasive speciale denumite liniile de întârziere. Liniile de întârziere trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să nu deformeze semnalele; - să asigure propagare semnalelor cu pierderi minime; - să realizeze întârzieri bine determinate şi stabile în timp. 6.4.1. Materiale. aracteristici. Tehnologii În raport cu cerinţele impuse, liniile de întârziere se realizează din [18]: - linii de transport energie (cabluri), care au parametrii liniari de circuit (L,, R) şi care realizează întârzieri mici de până la 10 µs; aceste linii se numesc linii cu constante distribuite; - bobine şi condensatoare, care formează celule reactive conectate în cascadă şi care realizează întârzieri de maxim 100 µs; aceste linii se numesc linii cu constante concentrate; - materiale cu proprietăţi piezoelectrice, care pot asigura întârzieri de până la câteva mii de µs. Aceste linii se numesc linii de întârziere piezoelectrice. Liniile cu constante distribuite asigură cele mai mici distorsiuni, dimensiunile cresc direct proporţional cu timpul de întârziere. Pentru 1 µs întârziere sunt necesari 100 m de cablu. Din cauza dimensiunilor mari la care pot ajunge, liniile cu constante distribuite se utilizează pentru întârzieri sub 10 µs şi îndeosebi pentru semnale cu frecvenţe foarte înalte. Pentru întârzieri mai mari se confecţionează cabluri speciale care au un miez conductor sub formă de spirală, care asigură liniei o lungime mult mai mare şi deci întârzieri mai mari. Liniile cu constante concentrate, numite şi linii artificiale, sunt formate din bobine şi condensatoare grupate sub formă de celule conectate în cascadă. Asigură întârzieri de până la 100 µs. Numărul de celule al liniei determină mărimea timpul de reţinere (întârziere) a semnalelor şi mărimea atenuării semnalelor. În figura 6.40. sunt reprezentate două tipuri de celule, celule de tipul T şi de tipul π, cu notaţiile corespunzătoare ale elementelor componente [18]. Aceste celule se mai numesc celule de tipul k constant, deoarece produsul Z 1 Z reprezintă o rezistenţă activă şi deci nu depinde de frecvenţă. Pentru: Z 1 jωl 1 (6.3.) Z jω se determină: 1 L Z Z jωl (6.33.) 1 jω

16 OMPONENTE PASIVE DE IRUIT Z 1 / Z 1 / Z 1 Z Z / Z / L/ L/ L / / a) celule de tipul T b) celule de tipul π Fig. 6.40. elule reactive L din compunerea liniilor de întârziere cu constante concentrate Liniile de întârziere piezoelectrice (ultrasonore), funcţionează pe principiul efectului piezoelectric al unor materiale monocristaline sau policristaline. Liniile ultrasonore prezintă două părţi distincte: una care asigură transformarea semnalelor electrice în oscilaţii mecanice şi alta care asigură întârzierea semnalului prin propagare mecanică sub forma undelor elastice printr-un mediu de întârziere. Schema constructivă generală a unei linii de întârziere piezoelectrice este reprezentată în figura 6.41. Elementul care asigură transformarea semnalului în vibraţie mecanică (undă acustică), dispus la capătul de intrare, şi elementul care transformă vibraţia mecanică în semnal electric, dispus la ieşirea liniei, poartă denumirea de transductor. Aceste transductoare sunt realizate din cuarţ sau ceramică de tip PZT (tratate la punctul 6.1.) aflate în contact direct cu mediul de întârziere. Mediul de întârziere poate fi lichid sau solid. În cazul în care mediul de întârziere este lichid, ca de exemplu mercur, acesta se află întrun tub metalic (fig. 6.41.a.). Viteza de propagare a undei mecanice prin mercur este de 0,15 cm/µs. Dacă mediul este format din corpuri solide, ca de exemplu aliaje de magneziu, oţel, sticlă de corning sau cuarţ topit (fig. 6.41.b.), acestea asigură o viteză de propagare a undei mecanice de ordinul 0,50 cm/µs. Pentru reducerea dimensiunilor liniei de întârziere, adesea se foloseşte principiul reflectării undelor sonore de marginile mediului de întârziere (conductorului de sunet).

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 163 Int Mediu de întârziere Ieş Int Transductor Ieş Transductoar a) b) Mediu solid de întârziere Fig. 6.41. Scheme constructive de linii de întârziere piezoelectrice Liniile de întârziere piezoelectrice sunt realizate într-o gamă largă de tipuri constructive şi prin tehnologii diverse. Linii piezoelectrice cu întârziere fixă. Este reprezentată în figura 6.41.a. şi se caracterizează prin: frecvenţe centrale de lucru de 1 100 MHz, benzi de trecere de 40% 60% din frecvenţa centrală, raport semnal/zgomot de ordinul 40 70 db. Pierderile de inserţie şi banda de trecere ale acestei linii sunt afectate de caracteristicile peliculei de lipire utilizate pentru fixarea tradutoarelor piezoelectrice pe mediul de propagare. În practică se utilizează ca peliculă de contactare indiul, plumbul, staniul şi răşinile epoxidice care asigură adaptarea elastică dintre transductorare şi mediul de întârziere. Linii de întârziere piezoelectrice poligonale. O astfel de linie este reprezentată în figura 6.41.b., se utilizează în domeniul de frecvenţă de la 5 MHz la 100 MHz şi asigură timpi de întârziere mari, până la 10 milisecunde. Liniile de întârziere poligonale prezintă pe două din feţele laterale două transductoare (traductoare piezoelectrice). Oscilaţia punctelor materiale produsă de traductorul de comandă (de intrare) prin efect piezoelectric invers are loc pe o direcţie perpendiculară atât pe suprafeţele superioară şi inferioară ale plăcii, cât şi pe direcţia de propagare a undei elastice rezultate. Unda elastică de contur generată astfel, se propagă în interiorul plăcii prin reflexii pe feţele laterale până este recepţionată de traductorul piezoelectric de ieşire. Placa utilizată ca mediu de întârziere este realizată din cuarţ topit prin care viteza de propagare este de 3.764 m/s. Transductuarele de intrare-ieşire sunt realizate din cuarţ cristalin sau ceramică PZT. Linii de întârziere ecou. Aceste linii furnizează la ieşire un tren de impulsuri egal distanţate temporal ca răspuns la un singur impuls aplicat la intrarea liniei (fig.6.4.a.). onstructiv linia ecou este realizată sub formă de bară din cuarţ topit şi cuarţ monocristalin. Unda generată de către traductor este de tip longitudinal şi care se propagă cu viteza de 5.75 m/s. Lăţimea benzii de trecere în linia ecou este de 30% 40% raportat la frecvenţa centrală şi atenuări relative pentru două impulsuri succesive de 1 db. Linii de întârziere cu undă elastică de suprafaţă. Aceste linii utilizează propagarea undelor mecanice la suprafaţa cristalului piezoelectric între două traductoare interdigitale (fig.6.4.b.). Întârzierea este cu atât mai mare cu cât viteza undei mecanice la suprafaţa monocristalului este mai mică. Astfel, pe o lungime de 5 cm de propagare, rezultă o întârziere de 15,83 μs, dacă materialul piezoelectric este cuarţ în tăietură ST, sau rezultă o întârziere de 30,86 μs, dacă materialul piezoelectric este germaniat de bismut.

164 OMPONENTE PASIVE DE IRUIT Traductor piezoelectric Traductoare piezoelectrice Mediu de propagare Mediu de propagare a) b) Fig.6.4. a) Linie de întârziere ecou; b) Linie de întârziere cu undă elastică de suprafaţă 6.4.. aracteristici electrice. Parametrii Pentru liniile de întârziere cu constante concentrate, pe baza relaţiilor (6.3.) şi a configuraţiei celulelor din fig. 6.40. se calculează impedanţa caracteristică şi defazajul pentru cele două tipuri de celule. Z T Z c 1 ω (6.34.) ω c 1 Z π Z c (6.35.) ω 1 ω c ω L cos ϕ 1 1 ω ω c (6.36.) unde: ω c - reprezintă pulsaţia de tăiere a filtrului şi are expresia ω c (6.37.) L

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 165 are expresia: Z c reprezintă impedanţa caracteristică a circuitelor rezonante serie şi paralel, şi L Zc (6.38.) În figura 6.43. sunt reprezentate diagramele de variaţie a defazajului, a impedanţei caracteristice ale filtrului Z T şi Z π. Pentru 0 < ω/ω c <1 impedanţele caracteristice Z T şi Z π sunt mărimi reale, deci semnalul supus întârzierii de către celulele din fig. 6.40. nu este distorsionat. Z Z T ϕ t i π t t 1 Z π ω/ω c 1 ω/ω c a) b) c) 0,5 1 ω/ω c Fig. 6.43. Diagramele de variaţie ale impedanţei caracteristice a), defazajului b) şi timpului de întârziere c) pentru liniile de reţinere Se poate demonstra că timpul de întârziere t i -, reprezintă derivata constantei de fază în raport cu frecvenţa, potrivit relaţiei [19]: t i dϕ dω ω c ω 1 ω c (6.39.) În fig. 6.41.c. variaţia constantei de fază este de la 0 π în banda de trecere, iar timpul de întârziere t i nu este constant cu frecvenţa. Pentru ω ω c 0,5 creşterea frecvenţei este de 15%. Pentru ca linia să nu influenţeze negativ asupra diferitelor frecvenţe ale spectrului, este necesar să se păstreze adaptarea între celule, între linie şi sarcină şi să se realizeze o întârziere constantă pentru toate frecvenţele din spectrul semnalului. Linia se calculează astfel încât cea mai mare frecvenţă a spectrului să nu depăşească jumătate din valoarea frecvenţei de tăiere [18]. ω c ω (6.40.) unde: ω - reprezintă pulsaţia cea mai mare din spectru.

166 OMPONENTE PASIVE DE IRUIT Pentru determinarea timpului de reţinere introdus de o singură celulă pentru o creştere a constantei de fază cu 15%, pentru ω ω c 0,5, din relaţia (6.39.) rezultă: t i (6.41.) ω c Pentru un număr de n celule, timpul de reţinere (întârziere) total -T i - se va determina cu relaţia: Ti n ti n ωc (6.4.) Prin înlocuirea relaţiei (6.37.) în relaţia (6.4.) rezultă timpul de întârziere total -T i -: Ti n L (6.43.) unoscând timpul total de întârziere pe care trebuie să-l asigure linia de reţinere, se pot calcula valorile elementelor liniei, în condiţiile adaptării acesteia cu sarcina: Z R c s L L ωc Rs ; şi (6.44.) ω crs Pentru reducerea cuplajelor inductive dintre bobinele liniei, bobinele celulelor se dispun la o distanţă mai mare ca lungimea bobinei sau se utilizează linii mai complexe formate din celule de tip m (figura 6.44.). L/ L/ L/ L/ L Fig. 6.44. Schemele de principiu pentru celule de tip m Linia de întârziere cu constante concentrate este reprezentată în figura 6.45. Parametrii primari ai liniei sunt : numărul de celule n, inductanţa L şi capacitatea a fiecărui element. Pentru întreaga linie se definesc parametrii totali: - inductanţa totală: L 0 nl; - capacitatea totală: 0 n.

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 167 Linia de întârziere cu constante concentrate prezintă următoarele proprietăţi mai importante: - acumulează energie în câmpul electric al condensatoarelor sau în câmpul magnetic al bobinelor; - cedează întreaga energie unei sarcini adaptate cu impedanţa caracteristică a liniei (R s Z c ); - întârzie semnalul la ieşire cu un anumit interval de timp de la aplicarea la intrarea liniei, interval de timp determinat de parametrii liniei. Pentru a înţelege procesul fizic de funcţionare a unei linii de întârziere, considerăm linia din figura 6.45.a., formată din patru celule elementare, căreia i se aplică un semnal de videofrecvenţă de formă dreptunghiulară (fig. 6.45.b.) şi care are conectat după ultima celulă o sarcină adaptată R s. Linia este asemănătoare unui sistem de circuite oscilante rezonante cuplate între ele [19]. Semnalul aplicat la intrare determină încărcare succesivă a celulelor cu energie, încărcare care se desfăşoară după o lege exponenţială pe un interval de timp determinat de timpul necesar trecerii celulei de la starea descărcat la cea de încărcat. Acesta este un proces tranzitoriu a cărui durată determină durata de întârziere a liniei. După încărcarea primei celule cu energie de la sursă, energie acumulată în condensatorul 1, urmează procesul de încărcare a celei de a doua celule prin acumularea energiei în condensatorul, şi procesul continuă până la ultima celulă. Încărcarea ultimului condensator 4 reprezintă momentul de transfer a semnalului la sarcina R s, proces care are loc cu o întârziere t i conform relaţiei (6.36.). Banda de trecere a liniei de întârziere are ca limită de frecvenţă superioară, frecvenţa determinată cu relaţia: 1 f max (6.45.) π L unde L şi sunt parametrii celulei elementare din care este alcătuită linia. L 1 L L 3 L 4 U g U g R s U s t 1 t 1 3 4 U s a) b) t t t i t - t 1 Fig. 6.45. Linie de întârziere cu constante concentrate a) schema de principiu; b) diagrama de întârziere a semnalului. Pentru liniile de întârziere piezoelectrice principalii parametrii care le caracterizează funcţionarea, sunt următorii:

168 OMPONENTE PASIVE DE IRUIT - frecvenţa centrală de lucru f c -, este frecvenţa determinată de frecvenţa de rezonanţă elastică a celor două transductoare piezoelectrice. Această frecvenţă trebuie să coincidă cu frecvenţa purtătoarei de informaţie a semnalului electric de comandă; - banda de trecere B t3db -, este determinată în primul rând de banda de trecere a fiecărui transductor piezoelectric. Aceasta limitează spectrul semnalului electric întârziat fără distorsiuni; - pierderile de inserţie A i -, desemnează fracţiunea din puterea semnalului electric de comandă disipată în dispozitiv sub formă electrică şi elastică; - timpul de întârziere; - tensiunea maximă de comandă a dispozitivului; - atenuarea semnalelor parazite A 0 -. 6.4.3. Utilizări ale liniilor de întârziere Parametrii unei linii de întârziere pot fi determinaţi cu ajutorul relaţiilor prezentate la punctul 6.5.. Exemplu. Să se calculeze parametrii unei linii de întârziere de tip K, adaptată cu o sarcină de 600 Ω, să realizeze o întârziere de 8 µs, pentru semnale de videofrecvenţă a căror frecvenţă maximă din spectru este de 1 MHz. Rezolvare. Facem apel la relaţiile 6.40. 6.44. - determinăm frecvenţa de tăiere: f t f max MHz (6.46.) - calculăm capacitatea unei celule: RSπf c 600 3,14 10 6 65pF (6.47.) - calculăm inductanţa unei celule: L R ωc s R πf s c 600 3,14 10 6 96µ H (6.48.) - determinăm timpul de întârziere dat de o celulă: t 0,159 ω i µ s c (6.49.) - determinăm numărul de celule care să realizeze timpul total de întârziere cerut: Ti n ti 8 0,159 50celule (6.50.)

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 169 Exemplu propus: alculaţi numărul de celule pentru o linie de reţinere de tip K constant, care să asigure o întârziere totală de 64 µs a semnalelor cu frecvenţa maximă de 6 MHz şi care să se adapteze cu o rezistenţa de sarcină de 600 Ω. În televiziune se utilizează două tipuri de linii de întârziere: linia de întârziere cu constante concentrate şi o linia ultrasonoră, realizate după tehnologia prezentată la pct. 6.5.1. Linia cu constante concentrate este utilizată în circuitele etajului amplificator de luminanţă (fig. 6.46.) şi asigură întârzierea semnalului de luminanţă cu 390 ns, pentru a asigura compunerea corespunzătoare a semnalului de luminanţă cu semnalele diferenţă de culoare în matricea R G B a receptorului de televiziune [6]. Această linie poartă denumirea de linie de întârziere de luminanţă, este conectată la intrarea etajului amplificator de luminanţă ca în figura 6.46. E y R 01 L i R 03 I-01 Amplificator de luminanţă R 06 Fig. 6.46. Schema de utilizare a liniei de întârziere de luminanţă Linia de întârziere de luminanţă primeşte semnalul de luminanţă (E y ) prin intermediul rezistenţei R 01. De la ieşirea liniei de întârziere de luminanţă semnalul este aplicat unei sarcini de adaptare formată din R 03 şi R 06, de unde semnalul este transmis capacitiv la intrarea circuitului integrat amplificator de luminanţă. R G Z c E G L i R s Z c Fig. 6.47. Schema de conectare a liniei de întârziere cu etajele adiacente

170 OMPONENTE PASIVE DE IRUIT Linia de întârziere de întârziere de luminanţă utilizată în construcţia amplificatorului de luminanţă din receptorul de televiziune color, prezintă următorii parametrii electrici: - timp de întârziere t i 390 ns ± 40 ns, - rezistenţa caracteristică R c 1000 Ω ± 80 Ω, - banda la 3 db B 3dB 5 MHz, şi necesită a fi adaptată cu etajele adiacente potrivit schemei echivalente din fig. 6.47. onstrucţia liniei de întârziere de luminanţă şi schema echivalentă a acesteia sunt prezentate în fig. 6.48. 1. Suport izolator. Placă de cupru legată la masă p p p arcasă metalică de ecranare L 0 L 0 L 0 o o o a) Bobinajul liniei b) Fig. 6.48. Linia de întârziere de luminanţă a) schema de construcţie; b) schema electrică echivalentă. Linia este realizată compact sub forma unui filtru trece jos (FTJ). apacităţile ( p ) dispuse în paralel pe elementele inductive sunt determinate de capacităţile parazite dintre spirele înfăşurării liniei, iar capacităţile ( 0 ) conectate la masă sunt determinate de capacităţile ce se formează între înfăşurare şi plăcuţa de cupru conectată la masă (reper din fig. 6.48). Impedanţa caracteristică este dată de relaţia: Z c L 0 / 0 (6.51.) Linia de întârziere ultrasonoră utilizată în decodorul de culoare al receptorului de televiziune asigură o reţinere a semnalelor de videofrecvenţă de 64 µs, durata unei linii, este realizată din două transductoare din cuarţ şi un mediu de întârziere din sticlă de corning prin care

OMPONENTE PASIVE SPEIALE 171 se propagă cu viteză mică undele mecanice ( pct. 6.4.1., fig. 6.41.b.). Linia este denumită în mod curent linie de întârziere de crominanţă. În fig. 6.41.b. este trasat drumul parcurs de unda mecanică (unda acustică de suprafaţă) prin mediul de propagare. Acest drum este determinat de reflexele succesive ale undei de marginile mediului de întârziere. Datorită construcţiei transductorilor, impedanţele de intrare şi de ieşire ale liniei sunt echivalente cu un condensator în paralel cu o rezistenţă. Funcţionarea optimă a liniei este asigurată prin adaptarea impedanţei transductoarelor cu ajutorul unor inductanţe reglabile, pentru compensarea efectului capacitiv. Din punct de vedere rezistiv, trebuie ca rezistenţa de ieşire a etajului de atac al liniei de întârziere şi rezistenţa de intrare a etajului de la ieşirea liniei să fie egale cu impedanţa caracteristică a liniei. Datorită valorii mici a primei şi valorii mari a celei de a doua, rezistenţele de adaptare se montează în serie la intrare şi în paralel la ieşire (fig. 6.49.). Modul de conectare a liniei de crominanţă (fig. 6.49.) între două circuite integrate specializate I-01 şi I-0, asigură şi adaptarea cu etajele învecinate prin elementele de circuit: - R 1 L 1 1 la intrarea liniei: - L R la ieşirea liniei. Bobinele L 1 şi L sunt ecranate şi prevăzute cu miez de ferită reglabil pentru ajustarea fină a timpului de întârziere. R 3 4 I-01 Etaj amplificator I-0 Etaje demodulatoare R 1 L 1 L i 01 1 L 3 R Fig. 6.49. Schema de utilizare a liniei de întârziere de crominanţă. În receptoarele de televiziune color toleranţa pentru timpului de întârziere este mai mică în cazul sistemului de televiziune PAL. Ea trebuie să fie mai bună de ± 7 ns, faţă de sistemul SEAM la care este suficientă o precizie de ± 70 ns. O problemă deosebită pentru liniile de reţinere o constituie variaţia timpului de întârziere a semnalelor în raport cu temperatura. De exemplu pentru linia de reţinere (de întârziere) de crominanţă de tipul V 0b, utilizată în construcţia decodorului de culoare din receptoarele de televiziune color, variaţia maxim admisă a timpului de întârziere într-un domeniu de temperatură de la + 5 0 la + 55 0 este de ± 6 ns.