elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

Transkript

1 Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

2 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

3 X 0kHz - 200kHz NT khz - 00kHz CT 300kHz - MHz BT MHz - 30MHz AT MHz - 250MHz Obr. : Typy řezu krystalu křemíku.

4 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

5 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. 2: Podélné, příčné a ohybové typy kmitů krystalových výbrusů.

6 rezonanční kmitočty krystalu f ser = 2π L C f par = 2π L C vys = 2π L C 0 + C činitel jakosti piezoelektrického krystalu Q ω L = R ser = ω ser C R Obr. 3: Náhradní elektrický model krystalu.

7 při Q>> platí mezi rezonančními kmitočty vztah f par impedance modelu krystalu + C = fser 2C0 s C L 2 Z () s = vstup 3 2 s C0CL + s RC 0C + s sr C + ( C C ) nevýhody filtrů s piezoelektrickými rezonátory náročná výroba složitý postup návrhu filtru a jeho realizace

8 změna rezonančního kmitočtu je technologicky možná pouze v omezeném rozsahu Obr. 4: Průběh modulu impedance krystalu, rozložení nul a pólů impedance.

9 Obr. 5: Základní parametry krystalu uváděné v katalogu.

10 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

11 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

12 Obr. 6: Různé filtry s piezoelektrickými krystaly.

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

14 přenos napětí lze vyjádřit ve tvaru () s U U in ( s) K = g () mrload R () load s Z s out K = = krystal Obr. 8: Katalogové zapojení aktivního filtru s krystalem, MAX435.

15 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

16 Obr. 9: Náhradní elektronické schema monolitického filtru. Obr. 0: Schematické značky monolitických filtrů s různými elektrodami. Obr. : Trilitický filtr.

17 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 krystalové rezonátory

18 keramické filtry parametry se mění s časem větší výrobní rozptyl parametrů větší činitel elektromechanické vazby výrazně nižší výrobní cena

19 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

20 Obr. 2: Vibrační módy keramického rezonátoru.

21 Obr. 3: Využití keramického filtru se dvěma a třemi vývody.

22 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

23 elektromechanické filtry maximální rezonanční kmitočty okolo MHz různé módy mechanických kmitů, například podélné, torzní nebo příčné Obr. 4: Blokové schéma standardního elektromechanického filtru.

24 filtry s povrchovou vlnou vstupní signál se přivádí na elektromechanický měnič, tvořený elektrodami ve tvaru hřebenů na povrchu piezoelektrického substrátu se vytváří mechanické 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

25 povrchová akustická vlna (SAW) v praxi koncepce přeměny energie a metodika jejího šíření známa již od roku 885 (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

26 filtry s povrchovou vlnou 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

27 filtry s povrchovou vlnou novější filtry mají na okrajích substrátu žlábkové reflektory odrážející dopadající vlny k výstupnímu měniči ve vhodné fázi 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

28 Obr. 5: Uspořádání filtru s povrchovou vlnou a modulová kmitočtové char.

29 filtry s rozprostřenými parametry ve vyšších kmitočtových pásmech se pasivní prvky chovají jako 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 dielektrické destičky

30 Obr. 6: Uspořádání filtru s povrchovou vlnou a modulová kmitočtová char.

31 děkuji za pozornost otázky?