elektrické filtry jiří petržela filtry založené na jiných … principy.pdfelektrické filtry...

elektrické filtry

Jiří Petržela

filtry založené na jiných fyzikálních principech

piezoelektrický jev

při mechanickém namáhání krystalu ve správném směru na něm vzniká elektrické napětí

po přiložení elektrického napětí se krystal mechanicky zdeformuje

technologie výroby krystalu

směr řezu a rozměry destiček krystalu určují typy kmitů a rezonanční kmitočty

používají se stříbrné nebo zlaté elektrody

filtry založené na jiných fyzikálních principechelektrické filtry

filtry založené na jiných fyzikálních principechelektrické filtry

Obr. 1: Typy řezu krystalu křemíku.

X 10kHz - 200kHzNT 1kHz - 100kHzCT 300kHz - 1MHzBT 1MHz - 30MHzAT 1MHz - 250MHz

elektrické filtry filtry založené na jiných fyzikálních principech

základní pojmy z problematiky krystalů

kvalita [-], rezonanční rezistance [Ω], rez. kmitočty [Hz]

zatěžovací kapacita [F] reprezentuje vliv externího obvodu na rezonanční kmitočet krystalu

zatěžovací rezonanční odpor [Ω] je dán odporem vlastního krystalu a zatěžovací kapacity na rezonančním kmitočtu

zatížitelnost [W] je udávána prostřednictvím proudu krystalem nebo max. povolené výkonové ztráty na krystalu


Obr. 2: Podélné, příčné a ohybové typy kmitů krystalových výbrusů.

chování krystalu z pohledu elektrického obvodu

z hlediska vnějšího obvodu se krystal chová jako velmi kvalitní rezonanční obvod

krystalový výbrus má několik rezonančních kmitočtů, pro praktické aplikace uvažujeme většinou pouze jeden z nich


Obr. 3: Náhradní elektrický model krystalu.

rezonanční kmitočty krystalu

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+===

101vys1par

11ser

11121

21

21

CCLCLf

CLf

πππ

činitel jakosti piezoelektrického krystalu

11ser1

1ser 1RCR

LQω

ω==


při Q>>1 platí mezi rezonančními kmitočty vztah

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

0

1serpar 2

1CCff

impedance modelu krystalu

( ) ( )101012

1103

11112 1

CCsCCRsLCCsCsRLCssZvstup +++

++=

nevýhody filtrů s piezoelektrickými rezonátory

• náročná výroba

• složitý postup návrhu filtru a jeho realizace


Obr. 4: Průběh modulu impedance krystalu, rozložení nul a pólů impedance.

• změna rezonančního kmitočtu je technologicky možnápouze v omezeném rozsahu


Obr. 5: Základní parametry krystalu uváděné v katalogu.


výhody filtrů s piezoelektrickými rezonátory

• vysoká kvalita (činitel jakosti)

• malé ztráty

• malá teplotní závislost parametrů

• dobrá teplotní stabilita (lze ještě zvýšit termostatem)

• malé rozměry umožňující miniaturizaci


klasické filtry s piezoelektrickými krystaly

první obvod realizuje kvalitní pásmovou propust

křížový článek se vyznačuje souměrností a lepší stabilitou

výborná selektivita filtrů

pro reálné piezoelektrické krystaly je potlačení až 90dB


Obr. 6: Různé filtry s piezoelektrickými krystaly.


Obr. 7: Možnost ovlivnění rezonančního kmitočtu 32768Hz krystalu paralelním a sériovým připojením kapacitoru C=5pF.


Obr. 8: Katalogové zapojení aktivního filtru s krystalem, MAX435.

přenos napětí lze vyjádřit ve tvaru

( ) ( )( ) ( ) load

krystalloadm

in

out RsZ

KRgsUsUsK ===


monolitické filtry

využívají piezoelektrického jevu

nutná je syntetická výroba, výbrus nesmí obsahovat trhliny

nahrazují čistě krystalové filtry

používají se převážně na kmitočty pod 30MHz

pro kmitočty nad 30MHz se využívá vyšších harmonických


Obr. 11: Trilitický filtr.

Obr. 10: Schematické značky monolitických filtrů s různými elektrodami.

Obr. 9: Náhradní elektronické schema monolitického filtru.


keramické filtry

sestaveny z keramických piezoelektrických rezonátorů

mají stejné náhradní schéma

elektrické vlastnosti získávají až dodatečně vytvořením orientovaných domén polarizací

mají větší ztráty a horší teplotní stabilitu než krystalovérezonátory


keramické filtry

parametry se mění s časem

větší výrobní rozptyl parametrů

větší činitel elektromechanické vazby

výrazně nižší výrobní cena


základní pojmy z problematiky keramických filtrů

střední kmitočet [Hz], šířka pásma [Hz], zvlnění [dB]

vložné ztráty [dB] reprezentují poměr úrovně výstupního a vstupního signálu při kmitočtu minimálního útlumu filtru

(spurious) označují kmitočtovou odezvu založenou na parazitních vibracích, tedy nechtěných jevech

(spurious response) [dB] označují poměr úrovně signálu s nejmenším útlumem v nepropustném pásmu a největším útlumem v propustném pásmu


Obr. 12: Vibrační módy keramického rezonátoru.


Obr. 13: Využití keramického filtru se dvěma a třemi vývody.


elektromechanické filtry

základním prvkem je kovový rezonátor, pomocí vhodného vstupního měniče se v něm vybudí mechanické kmity

mechanická rezonance nastane při jistém kmitočtu, který závisí na tvaru a materiálu rezonátoru

zpětná přeměna mechanických kmitů na elektrické se děje ve výstupním měniči

vyznačují se velkými rozměry a vysokou cenou


elektromechanické filtry

maximální rezonanční kmitočty okolo 1MHz

různé módy mechanických kmitů, například podélné, torznínebo příčné

Obr. 14: Blokové schéma standardního elektromechanického filtru.


filtry s povrchovou vlnou

vstupní signál se přivádí na elektromechanický měnič, tvořený elektrodami ve tvaru hřebenů

na povrchu piezoelektrického substrátu se vytvářímechanické vlnění

rychlost šíření vlnění po povrchu substrátu je srovnatelné s rychlostí šíření akustických vln ve volném prostředí

výstupní měnič přemění mechanické kmity na elektrický signál


povrchová akustická vlna (SAW) v praxi

koncepce přeměny energie a metodika jejího šíření známa již od roku 1885 (Lord Rayleigh)

SAW se využívá ve filtrech, oscilátorech nebo v senzorech (transformace energie)

transducer zařízení přeměňující jeden typ energie na druhý a naopak

krystaly jsou vyráběny stejnou křemíkovou technologií(litografie) jako integrované obvody



větší počet elektrod zvyšuje účinnost buzení

variace délek vede k lepšímu plošnému rozložení vlny

různými tvary a délkami prstů elektrod lze snížit ztráty nebo realizovat vhodnou přenosovou funkci

na okraj piezoelektrického substrátu se nanáší materiál pohlcující vlnění, aby se zabránilo nežádoucím odrazům



novější filtry mají na okrajích substrátu žlábkové reflektory odrážející dopadající vlny k výstupnímu měniči ve vhodnéfázi

na střední kmitočet propustného pásma má vliv vzdálenost elektrod

šířku propustného pásma ovlivňuje počet elektrod

využití v úzkopásmových i širokopásmových aplikacích od 20MHz do 2GHz


Obr. 15: Uspořádání filtru s povrchovou vlnou a modulová kmitočtové char.


filtry s rozprostřenými parametry

ve vyšších kmitočtových pásmech se pasivní prvky chovajíjako prvky s rozprostřenými parametry

tyto obvody jsou popsány soustavou parciálních diferenciálních rovnic

tyto filtry mohou být pasivní i aktivní

obvod RC dostaneme nanesením vodivé vrstvy na jednu stranu a odporové vrstvy na druhou stranu dielektrickédestičky


Obr. 16: Uspořádání filtru s povrchovou vlnou a modulová kmitočtová char.

elektrické filtry jiří petržela filtry založené na jiných … principy.pdfelektrické filtry...

Documents