Пьезоэлектрические кварцевые фильтры
по материалам компании-производителя Метеор-курс
Кварцевые фильтры — это фильтры, которые изготавливаются на основе кварцевых резонаторов и относятся к приборам селекторной частоты. Пьезоэлектрические кварцевые фильтры имеют более высокую крутизну частотной характеристики затухания, большее затухание в полосе задерживания и большую стабильность своих характеристик и работы.
Кварцевые фильтры используют для получения значительно больших характеристик добротности и других требуемых показателей приборов. Пьезоэлектрические фильтры относят к приборам селекции, которые служат для выделения или подавления нужного спектра колебаний. Кварцевые фильтры обеспечивают очень большие добротности на высоких частотах.
Прототипом большинства кварцевых пьезоэлектрических фильтров, которые применяются в современной аппаратуре, является мостовой симметричный четырёхполюсник. Он предназначен для выделения из состава сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной полосе, а также для подавления тех составляющих, которые расположены в других полосах частот. Указанные полосы называют полосой пропускания и полосой задерживания.
Кварцевые фильтры получили широкое применение в профессиональной радиоаппаратуре для построения главных трактов приема, усилителей промежуточной частоты, синтезаторов частоты, трансиверов, приемников эталонных частот и других устройствах.
Классификация по расположению полосы пропускания
По расположению полосы пропускания на шкале частот различают следующие фильтры:
- нижних частот (ФНЧ);
- верхних частот (ФВЧ);
- полосовые (ПФ);
- заграждающие (режекторные);
- многополосные, имеющие несколько полос пропускания.
В пределах полосы пропускания показатель затухания кварцевого фильтра бывает монотонным, равноволновым либо близким к равноволновому. Это определяется методом расчёта и точностью изготовления и формой пластин кварца. В пределах полосы задержания характеристика затухания монотонно возрастает или же может иметь определенное количество всплесков затухания.
Классификация по схемам построения
Исходя из требований, предъявляемых к кварцевому фильтру, используют следующие типовые схемы их построения:
- мостовые без расширительных катушек;
- мостовые с расширительными катушками;
- лестничные;
- монолитные.
Простые мостовые схемы построения кварцевых фильтров обладают избыточным числом элементов. Как правило, от мостовой схемы переходят к эквивалентной с трансформатором, имеющим отвод от середины вторичной обмотки. Такой трансформатор получил название дифференциальный.
Дифференциальный трансформатор вводят в схему фильтра с целью экономии резонаторов. Фактическая схема замещения дифференциального трансформатора включает в себя индуктивность холостого хода, а также индуктивность рассеяния. Индуктивность холостого хода оказывает большое влияние на характеристики кварцевых фильтров. Компенсируют это включением параллельно первичной обмотке трансформатора дополнительной ёмкости, которая образует с указанной индуктивностью параллельный колебательный контур.
Фильтры лестничной структуры
Широкое распространение нашли кварцевые фильтры лестничной структуры. Их разделяют на три типа:
- с кварцевыми резонаторами в поперечных ветвях;
- с кварцевыми резонаторами в продольных ветвях;
- с кварцевыми резонаторами в поперечных и продольных ветвях.
Область применения
Полосовые кварцевые фильтры применяются в различных радиотехнических устройствах: фильтры применяются для подавления гармоник за пределами разрешенной полосы частот на выходе и для выделения нужной гармоники при умножении частоты.
В синтезаторах частот полосовые кварцевые пьезоэлектрические фильтры применяют для получения нужной комбинационной частоты.
В радиоприемной аппаратуре полосные фильтры используют как элемент преселектора в качестве входной цепи и нагрузки усилителя высокой частоты.
Полосовые фильтры используются и как резонансные нагрузки в высокочастотной части диапазона, особенно широко — в диапазоне СВЧ.
Основной характеристикой полосного фильтра является зависимость степени уменьшения амплитуды сигнала от частоты, которая называется частотной характеристикой затухания. Применение этих фильтров во входных цепях и УПЧ приемников обеспечивает малое затухание сигнала, малую неравномерность характеристики затухания в полосе пропускания, небольшой уровень шума.
Широкополосные и среднеполосные кварцевые фильтры используются для канальной или групповой селекции сигналов и частотных элементов, перестраиваемых по частоте и полосе.
Полосовые кварцевые фильтры зачастую реализуются в виде схем, состоящих из только последовательных или только параллельных контуров, связанных между собой индуктивными или емкостными связями, например — фильтры сосредоточенной селекции на связанных контурах и лестничные кварцевые фильтры.
Кварцевые фильтры одной боковой полосы предназначены для выделения верхней или нижней боковой полосы спектра частот модулированного сигнала.
Дискриминаторные пьезоэлектрические кварцевые фильтры позволяют получить на выходе постоянное напряжение, которое может меняться по уровню и знаку в зависимости от частоты входного переменного напряжения.
Однослойные и многослойные кварцевые фильтры
Также пьезоэлектрические фильтры классифицируют на однослойные и многослойные. Однослойные кварцевые фильтры имеют гальваническую связь. Они изготавливаются, как правило, на частоты от 3 до 30 кГц.
Монолитные кварцевые фильтры построены на акустической связи между точечными резонаторами, установленными на пьезоэлектрической подложке. Монолитные фильтры изготавливают на частоты от 2 до 150 кГц.
Требования к электрическим характеристикам пьезоэлектрических фильтров задаются в виде допустимых пределов изменения этих характеристик.
Существующие на данный момент кварцевые фильтры часто бывают выполнены на базе традиционных пассивных схем, которые представляют собой различные комбинации резонаторов, трансформаторов, катушек индуктивности и конденсаторов.
В схемах же активных кварцевых фильтров сопротивления резисторов определяются и шириной полосы пропускания фильтра, и параметрами резонаторов, важнейшим из которых является динамическая индуктивность, параметры которой зависят от частоты.
Для того, чтобы осуществить правильный выбор конкретной модели фильтра, необходимо четко понимать физику работы кварцевых фильтров. Наибольшее распространение получили фильтры, выполненные на кварцевых «двойках». В кварцевой двойке на одной пластине кварцевого кристалла расположено два резонатора, которые связаны между собой при помощи акустической связи.