Академія Росії
Кафедра Фізики
РЕФЕРАТ
«Кварцові та електромеханічні фільтри»
Орел 2009
ЗМІСТ
1.Кварцевие резонатори їх параметри
2.Основні типи кварцових фільтрів.
3.Крітеріі реалізованим смугових фільтрів на елементах LC.
4.Електромеханіческіе фільтри.
5.Література
1. Кварцові резонатори і їх параметри
Необхідність використання в техніці зв'язку селективних електричних ланцюгів з відносно вузькими смугами пропускання призвела до використання п'єзоелектричних резонаторів, що складаються з п'єзоелектрики і прикріплених до нього струмопровідних електродів. Дія пьезорезонаторной коливальної системи грунтується на явищі п'єзоефекту і полягає в оборотної здатності перетворювати енергію електричних коливань в енергію механічних коливань.
П'єзоефект володіють кристали кварцу, сегнетової солі, турмаліну, титанату барію, тітоната-цирконату свинцю, танталіта літію та інших мінералів, а також ряд штучно створених матеріалів (наприклад, різні види п'єзокераміки).
Рис 1.
Найбільшого поширення в техніці зв'язку знайшли кварцові резонатори, які в найпростішому випадку представляють собою паралелепіпед-пластину, вирізану певним чином відносно кристалографічних осей, з напиленням на ній вакуумним способом електродами. Одна з конструкцій резонатора і його умовне схематичне зображення показані на малюнку 1.
Залежно від типу кварцовою пластини, конфігурації електродів і способу їх підключення можливі різні види її коливань, серед яких найбільш часто використовуваними є розтягування-стиснення, вигин, зсув по товщині, зсув по контуру, кручення.
Значення частот власних механічних коливань резонатора залежать від його форми і геометричних розмірів, щільності і модуля пружності, п'єзоелектрики, маси та геометрії електродів, а також від способу кріплення резонатора. У типових кварцових резонаторів значення основної частоти власних коливань (поздовжнє по довжині стиснення - розтягування) знаходяться в межах 50 - 200 кГц. Використання резонаторів з коливаннями вигину дозволяє трохи знизити значення наведених вище частот. Верхня ж межа застосування кварцових резонаторів визначається найменшою технологічно здійсненним товщиною кварцовою пластини і при використанні коливань зсуву по товщині складає 20 - 30 МГц, а при використанні коливань на гармоніках - навіть до 200 МГц.
В області частот, розташованих поблизу основної частоти власних механічних коливань пьезорезонатора, схема його заміщення з достатньою для інженерної практики точністю може бути представлена у вигляді однієї з двох схем реактивних двополюсників на малюнку 2а, б. Ці схеми досить точно визначають розглянутий фізичний об'єкт, тому що втрати на тертя в коливається пластині і втрати на електромагнітне випромінювання в навколишнє середовище надзвичайно малі. (Добротність Q послідовного коливального контуру в більш точної схемою заміщення малюнка 2 досягає значень 10 - 10 6 одиниць).
Схема заміщення кварцового резонатора на малюнку 2а використовується в розрахунках найбільш часто. Її параметр С 0 носить назву статичної ємності резонатора, а параметри С д і L д називаються відповідно динамічної ємністю і динамічної індуктивністю.
Знайдемо і досліджуємо вираз для Z (j щ) кварцового резонатора, скориставшись для цієї мети схемою заміщення на малюнку 2а.
а) б)
Рис 2.
Рис 3.
Де
,
причому, очевидно, що . Графік функції Z (j щ) / j наведено на малюнку 3.
Відмінною здатністю кварцових резонаторів є близькість частот щ д і щ р. Інтервал частот Дщ називається резонансним проміжком, а ставлення (щ р-щ д) / щ д = Д називається відносним резонансним проміжком. Практично Д 0,004 (0,4%). Ще одним важливим параметром, що характеризує п'єзоелектричний резонатор, є ємнісний коефіцієнт Z д = С 0 / С д, званий іноді просто ємнісним ставленням.
Враховуючи близькість частот щ д щ р можна визначити, що r д = 1/2Д 125. Параметри r д і щ д дуже стабільні. Наприклад, відносна зміна щ д, за рахунок старіння кварцу становить величину (0,5 - 10) * 10 -6 за кілька тисяч годин роботи. Відносне зміна щ д, за рахунок температурних відхилень на один градус Цельсія лежить в межах (1 - 10) * 10 -6 1/град.
За останнє десятиліття широке поширення одержали пьезорезонатори, виготовлені з полікристалічної п'єзокераміки типу титанату-цирконату свинцю. Для того щоб п'єзокераміка мала властивостями п'єзоелектричного монокристалу, вона попередньо поляризується доданням до її електродів деякого постійної напруги. По стабільності п'єзокерамічні резонатори істотно поступаються кварцовим, але зате мають r д 25, що дозволяє при інших рівних умовах будувати електричні фільтри з ПП, в 5 - 10 разів ширшою, ніж при використанні кварцових резонаторів.
Зауважимо, що проблема розширення ПП п'єзоелектричних фільтрів у багатьох практичних випадках є однією з центральних і найбільш важко вирішуваних проблем при створенні селективних пристроїв розглянутого типу.
1.1 Основні типи кварцових фільтрів
У межах смуги пропускання характеристика загасання кварцового фільтру може бути монотонною, равноволновой або близькою до равноволновой, що визначається як методом розрахунку, так і точністю виготовлення кварцових пластин. У межах смуги затримання характеристика затухання може монотонно зростати або мати деяке число сплесків загасання.
У залежності від вимог, що пред'являються до кварцовим фільтру, використовуються ті чи інші типові структури - мостові без розширювальних котушок, мостові з розширювальними котушками, сходові і монолітні кварцові фільтри. Основні характеристики цих типів розглядаються нижче.
а) Диференційно-мостові кварцові фільтри.
Рис 4а.
Рис 4б.
Прототипом переважної більшості кварцових фільтрів, використовуваних в апаратурі зв'язку, є мостовий симетричний чотириполюсник, схема якого зображена на малюнку 4а.
Відомо, що в мостовій схемі смуга пропускання знаходиться в області частот, де Z a і Z б мають різні знаки. Включимо замість Z a і Z б кварци, у яких нулі і полюси їх опору на характеристичних рядках зміщені щодо один одного, як показано на малюнку 5.
Рис5.
Тоді смуга пропускання буде лежати в заштрихованої на рисунку 5 області. Як видно вона приблизно дорівнює двом проміжкам, де кварц має індуктивний характер.
Включимо тепер вмсето Z a два паралельно з'єднаних кварцу зі зміщеними нулями і полюсами, а замість Z б кварц з паралельно йому включеної ємністю. Еквівалентні схеми реактивних двополюсників, відповідні такому з'єднанню показані на малюнках 6а та 6б.
Рис 6.
Визначимо смугу пропускання при відповідному підборі резонансних частот кварцев (малюнок 7).
Рис 7.
Видно, що при такій конструкції смуга пропускання розширюється і дорівнює приблизно трьом проміжкам, де опір кварцу має індуктивний характер.
Зазначені схеми мають надмірну числом елементів і тому практично ніколи не використовуються. Зазвичай від мостової схеми переходять до еквівалентної з ідеальним трансформатором, що мають відвід від середини вторинної обмотки (рисунок 4б). Такий трансформатор носить назву диференціального.
Мостова структура кварцового фільтру зберігає за собою лише теоретичне значення. Умови еквівалентності схем доводяться у літературі і приведені на малюнках 4а та 4б.
Фактично схема заміщення реального трансформатора включає в себе індуктивність холостого ходу й індуктивності розсіювання. Останні при належному виконанні можуть бути досить малими і їх можна не враховувати. Проте індуктивність холостого ходу, як правило, впливає на характеристики кварцових фільтрів і нею нехтувати не можна. З метою компенсації цього впливу паралельно первинній обмотці диференціального трансформатора включається додаткова ємність. Вона утворює з зазначеної індуктивністю паралельний коливальний контур, який налаштовується на середню частоту смуги пропускання фільтра, що і дозволяє істотно підвищити опір холостого ходу трансформатора в межах цієї смуги.
Як приклад на рисунку 8 наведено диференційно-мостова схема фільтра, що має в одному плечі два кварцу, а в іншому - кварц і конденсатор.
Рис 8.
Можна показати, що робоче затухання таких схем при R г = R н = R 0 визначається формулою
,
аналіз цього виразу і характеристичних рядків (малюнки 5 і 6) свідчать, що область частот, де може бути розташована ПП є дуже вузької і становить приблизно 0,8% від середньої частоти ПП. Це твердження справедливе для всіх типів фільтрів, оскільки бруківка структура є універсальною, тобто будь-яка інша структура може бути еквівалентно перетворена до бруківки.
Для розширення ПП паралельно кварцовим резонаторам включають котушки індуктивності, що утворять з ємністю кварцедержателя С 0 паралельний коливальний контур.
Резонансна частота цього контуру вибирається поблизу середньої частоти смуги пропускання фільтра щ 0 =
Схема диференційно-мостового кварцового фільтру з розширювальними котушками індуктивності показана на рисунку 9.
Рис 9.
Двухполюсник Z a і Z б при наявності розширювальних котушок індуктивності можуть бути представлені схемами малюнка 10а, б, а нижче зображені їх характеристичні рядки.
Неважко помітити, що область частот, де Z a / j і Z б / j мають різні знаки, за наявності розширювальних котушок індуктивності істотно розширилася, отже, збільшилася ПП.
Використання котушок індуктивності дозволяє розширити ПП до (8-10)% від середньої частоти, що на порядок вище значень, які досягаються без додаткових індуктивностей. Цей тип кварцових фільтрів часто називають широкосмуговими.
Рис 10.
б) Сходові кварцові фільтри.
При побудові кварцових фільтрів з відносною шириною ПП порядку (0,01-0,08)%. Помітне поширення знайшли кварцові фільтри сходової структури. Існують три їх типи:
з кварцовими резонаторами в поперечних гілках;
з кварцовими резонаторами в поздовжніх гілках;
з кварцовими резонаторами в поперечних і поздовжніх гілках. Схема кварцового фільтру першого типу зображена на малюнку 11.
Рис 11.
Скористаємося умовами фільтрації для характеристичного загасання. Для цього викреслив графіки частотної залежності реактивних опорів Z 1 / j, Z 2 / j і визначимо область, де вони мають різні знаки, крім того, | Z 2 |> | Z 1 |. На малюнку 12 ця область заштрихована.
З малюнка 12 видно також, що нуль опору лежить лівіше смуги пропускання, отже, можна стверджувати, що тут буде сплеск загасання. Приблизний графік а (щ) показаний на рис. 13.
Якщо кварци і ємності поміняти місцями, то неважко уявити, що сплески загасання будуть знаходитися правіше ПП, а в разі включення кварцових резонаторів у подовжнє і поперечне плечі сплески загасання будуть як лівіше, так і праворуч від смуги пропускання.
Рис 12.
Рис 13.
2. Критерій реалізованим смугових фільтрів на елементах LC
Наявність теплових втрат у котушках індуктивності і конденсаторах погіршує характеристики фільтрів у порівнянні з характеристиками для фільтрів з ідеальними елементами.
Особливо помітним виявляється вплив втрат для смугових фільтрів з вузькою смугою пропускання, коли (
смуга пропускання фільтра,
центральна частота смуги пропускання).
Зокрема ПФ, характеристики якого розраховані за формулами для ідеальних реактивних елементів і виконані з елементів з втратами, збереже працездатність, якщо добротність
Для
і
отримаємо
.
Виготовити котушки індуктивності з такою високою добротністю і з їх високою температурною стабільністю не надається можливим. У зв'язку з цим виникає необхідність застосування інших більш якісних фільтрів. До цих фільтрів відносяться електромеханічні фільтри.
3. Електромеханічні фільтри
Електромеханічний фільтр - це фільтр, в якому відбувається подвійне перетворення сигналу: спочатку електричний сигнал перетвориться в механічні коливання, а потім, після отфільтровкі, що залишилася частина сигналу перетворюється у вихідну форму електричних коливань.
а) Структурна схема електромеханічних фільтрів, і їх класифікація.
Структурну схему ЕМФ можна представити в наступному вигляді: (рис.14)
рис.14
Вх.пр. - вхідний перетворювач.
Мех. Рез., Елем. св. - Механічні резонатори.
Вих.пр. - Вихідний перетворювач.
Вхідний перетворювач перетворює електричний сигнал в механічні коливання, а вихідний перетворювач навпаки.
Механічні резонатори та елементи зв'язку між резонаторами здійснюють фільтрацію сигналу.
Механічні резонатори та елементи зв'язку можуть виготовлятися з різних матеріалів (кварц, п'єзокераміки, магнітострикційні ферити, залізо-нікелеві сплави і т.д.).
Відповідно до типу перетворювачів, резонаторів і зв'язок існують фільтри:
- П'єзоелектричні (пьезокристаллических, п'єзокерамічні);
- Магнітострикційні;
- На поверхневих акустичних хвилях (ПАР).
б) Магнітострикційні фільтри.
Будуються на основі резонаторів з феромагнітного матеріалу.
Схему магнитострикционного дискового фільтра з дротяними зв'язками можна представити в наступному вигляді:
рис.15
Електричний струм ( ) Від генератора
проходить через резонуючі ємність
і обмотку перетворювача. Проходячи через обмотку, він створює магнітне поле, яке пронизує феритовий стрижень, викликаючи коливання останнього з частотою сигналу генератора. Ці коливання передаються перший дискового резонатора за допомогою тонкої дротяної зв'язки. Механічна енергія передається від диска до диска за допомогою дротяних зв'язок, приварених по колу кожного диска. Коливання від останнього диска через дротяну зв'язку збуджують вихідний перетворювач. Механічні напруги, що у вихідному перетворювачі, викликають появу змінного магнітного поля, яке в свою чергу індукує електрична напруга
на затискачах вихідного перетворювача і навантажувального опору.
Смугові фільтри з магнітострикційних перетворювачів грають важливу роль в реалізації високочастотних фільтрів для односмугових радіо та телефонні системи. У перетворювачах фільтрів використовується металеві сплави і ферити (переважно). Магнітострикційні фільтри знаходять широке застосування в техніці зв'язку.
в) Фільтри на поверхневих акустичних хвилях.
Фільтри на поверхневих акустичних хвилях (ПАР) - це пружні обурення, що поширюються в тонкому поверхневому шарі твердого тіла. З точки зору обробки сигналів ПАР володіють двома істотними перевагами:
а) дуже мала швидкість розповсюдження (1 5 км / с, тобто приблизно на 5 порядків нижче швидкості ЕМ хвиль);
б) можливість взаємодії з планарними структурами на поверхні звукопровода, забезпечує кероване зміна характеристик ПАР пристроїв, тобто зміна швидкості, загасання і т.д.
В якості середовища поширення ПАР (звукопровода) використовують зазвичай п'єзоелектричні матеріали: кварц, ніобат літію, германад вісмуту, пьезокерамику. Порушення і прийом ПАР досягається планарними зустрічно-штирові структурами за рахунок п'єзоефекту.
Перше перевага дозволила створити інтегральні лінії затримки на ПАР.
Друга перевага дало можливість створити цілу серію найрізноманітніших пристроїв на ПАР, наприклад ПФ.
Недоліками ПАР є значні розміри, необхідність ретельної настройки параметрів в процесі виготовлення і підстроювання під час експлуатації.
У будь-якому ПАР пристрої частотно-селективними властивостями володіють власне п'єзоперетворювачі, збуджуючі і приймають ПАР і формують АЧХ пристрою.
Структурна схемою фільтра на ПАР представлена на рис.16:
рис.16
Вхідний перетворювач 1 підключається до джерела електричного сигналу (генератора) і створює на поверхні п'єзоелектричного звукопровода 2 знакоперемінне електричне поле. За рахунок п'єзоефекту під дією електричного поля в звукопроводу виникають пружні деформації, що розповсюджуються в обидві сторони від перетворювача. Завдяки прямому п'єзоефект пружні деформації на поверхні звукопровода супроводжуються виникненням електричного поля, сприйманого вихідним перетворювачем 3.
Аналіз розвитку ПАР показує стійку тенденцію переходу від унікальних пристроїв для обробки складних сигналів до універсальних і масовим елементам апаратури: фільтрам різних типів, резонаторам, лініях затримки.
У нашій країні фільтри на ПАХ використовуються в телевізійних приймачах підсилювачів проміжної частоти в діапазоні частот 1 МГц 3 ГГц.
Література
Білецький А.Ф. «Теорія лінійних електричних ланцюгів» стор 502-508
Снєгірьов В.Т. «Лінійні радіотехнічні пристрої» стор 101-103
Речицький В.І. «Акустоэлектронные радиокомпоненты»