""

Цветовая маркировка импортных пьезокерамических фильтров

Пьезокерамические фильтры

Пьезокерамические фильтры обычно используются для реализации полосовых фильтров промежуточной частоты 455 или 465 кГц. Эти частоты наилучшим образом подходят для реализации супергетеродинных приемников. Название “дискретные” означает, что эти фильтры составлены из отдельных пьезокерамических резонаторов. Частоты , оказались наиболее удобными для изготовления дешёвых, технологичных пьезокерамических фильтров. Их размеры оказались в десятки раз меньше, чем у LC фильтров сосредоточенной избирательности, а процесс изготовления более технологическим. При этом стоимость пьезокерамического фильтра значительно ниже стоимости кварцевого фильтра.

Пьезокерамические резонаторы, из которых строится фильтр, обычно выполняют в форме диска диаметром или квадрата со стороной около 5 мм. Характеристики фильтра полностью определяются от параметрами и количеством резонаторов. Внешний вид пьезоэлектрического резонатора не отличается от внешнего вида кварцевого резонатора, так как их принцип работы не отличается.


Рисунок 1. Внешний вид пьезоэлектрических резонаторов

Пьезокерамические фильтры, выпускаемые промышленностью, обычно выполняют по лестничной схеме. Эта схема наиболее просто и дёшево реализуется конструктивно. На рисунке 2 приведена схема двухзвенного лестничного пьезокерамического фильтра.


Рисунок 2. Принципиальная схема лестничного фильтра

При этом у резонаторов Z1 и Z3 используется частота последовательного резонанса, а у Z2 и Z4 — параллельного. Эквивалентная схема фильтра, приведенного на рисунке 2, показана на рисунке 3.


Рисунок 3. Эквивалентная схема пьезокерамического фильтра

Таким образом данная схема фильтра обеспечивает наличие четырех полюсов амплитудно-частотной характеристики. Параллельные резонансы у резонаторов Z1,Z3 и последовательные резонансы резонаторов Z2, Z4 будут определять частоты нулей АЧХ. Степень связи между резонаторами будет определять вид амплитудно-частотной характеристики (фильтр Чебышева второго рода или Золотарева-Кауэра). Типовая амплитудно-частотная характеристика пьезокерамического фильтра приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Амплитудно-частотная характеристика фильтра ФП1П1-61-04-Х

Внешний вид этого фильтра приведен на рисунке 5. При этом имейте в виду, что на фотографии фильтры увеличены за счет макросъемки.


Рисунок 5. Фотография фильтров ФП1П1-61-04-Х

Подобным образом выглядят и пьезокерамические фильтры иностранных фирм. В некоторых образцах за счет применения квадратных резонаторов, упрощенный вид которого приведен на рисунке 1б, реализуется конструкция поверхностного монтажа. В качестве примера, на рисунке 6 приведен внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata.


Рисунок 6. Внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata

Процесс сборки пьезокерамического фильтра проиллюстрируем на примере фильтра ФП1П1-60. Последовательность сборки показана на рисунке 7.


Рисунок 7. Процесс сборки фильтра ФП1П1-60

Фильтр реализован на семи резонаторах, при этом 4 резонатора включены параллельно, а три — последовательно. Принципиальная схема фильтра ФП1П1-60 приведена на рисунке 8а, а ее конструктивная реализация на рисунке 8б.

Читайте также:  Конструктор функций на базе пк и платформы nucleo-f411re


Рисунок 8. Схема электрическая принципиальная фильтра ФП1П1-60 (а) и его сборка (б)

Однако не следует забывать, что резонансы в данном виде фильтра происходят за счет механических колебаний, а они могут возникнуть (и возникают) и на более высоких частотах. Причем это не только гармоники основной частоты настройки фильтра. Пример амплитудно-частотной характеристики пьезокерамического фильтра частоты 450 кГц в широком диапазоне частот по данным фирмы muRata приведен на рисунке 9.


Рисунок 9. Амплитудно-частотная характеристика пьезокерамического фильтра 450 кГц

В качестве мер борьбы с всплесками амплитудно-частотной характеристики применяются:

  1. Включение нескольких пьезокерамических фильтров друг за другом
  2. Применение на входе и выходе согласующих ФНЧ LC фильтров
  3. Применение контура, настроенного на промежуточную частоту (например, 450 кГц). Его конструктивная добротность не должна превышать значения Q = 40

Третий вариант наиболее предпочтителен. Эта схема приведена на рисунке 10.


Рисунок 10. Схема согласования пьезокерамического фильтра с выходом смесителя при помощи контура

Вместе со статьёй “Пьезокерамические фильтры” читают:

Электромеханические и пьезоэлектрические фильтры

Физические основы работы электромеханических, пьезоэлектрических и акустоэлектронных фильтров. Резонансные контуры, входящие в состав электрических фильтров, трудно сделать высокостабильными, высокодобротными и в то же время малогабаритными, поэтому, не смотря на простоту их изготовления и возможность выбора вида частотной характеристики при увеличении числа контуров, эти фильтры используются ограниченно.

Указанные обстоятельства обусловили появление фильтров, основанных на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Широкое применение таких фильтров объясняется тем, что скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тыс. раз меньше скорости распространения электромагнитных волн. Это позволяет использовать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие чрезвычайно малыми потерями, т. е. весьма высокой добротностью, достигающей 10 3 …10 4 . Однако для применения этих фильтров в электронной аппаратуре необходим переход от электрических колебаний и сигналов, действующих в цепях этой аппаратуры, к акустическим (упругим) колебаниям в механических резонаторах и последующий переход от акустических к электрическим.

Для этого преобразования используются известные из физики эффекты взаимодействия электрических или магнитных полей и механических деформаций и напряжений, например пьезоэффект и магнитострикционный эффект. Особенности и свойства таких преобразователей существенно зависят от того, какой эффект при этом используется. Часто название эффекта, на котором основано преобразование, применяется при классификации фильтров. Например, различают пьезокерамические, пьезокварцевые, магнитострикционные фильтры и т. д.

Полагая, что преобразования электрических колебаний в механические и обратно произведены, рассмотрим физическую сущность фильтрации в механических системах. Как известно из радиотехники, колебания и резонансы могут возникать в цепях с сосредоточенными (LC-фильтры) и с распределенными (длинные линии) параметрами. Аналогично обстоит дело и при механических колебаниях. Они могут появляться в системах с сосредоточенными параметрами, например, в механических системах, имеющих массу (груз) и упругость (пружину). Однако такие системы обладают низкой резонансной частотой колебаний и не могут использоваться для создания фильтров на радиочастотах. Их изучение имеет большое значение для исследования действия механических возмущений на конструкции РЭА и ее элементы, а также для амортизации. Механические колебания возникают и в системах с распределенными параметрами. Простейшими механическими с распределенными параметрами являются брусок, пластина, стержень, струна, диск и т. д.

Читайте также:  Недорогой набор для начинающих usb starter kit от microchip

Для выяснения физической сущности механического резонанса остановимся на простейших механических продольных объемных колебаниях, которые возникают и распространяются в стержнях. Анализ распространения упругих волн приводит к волновому уравнению

, (5.21)

где U – переменное напряжение (деформация); t – время; x – координата; vупр – скорость распространения волны в материале. В стержнях из упругих материалов, какими являются металлы, используемые в резонаторах, скорость распространения объемной продольной волны

, (5.22)

где E – модуль упругости; ρ – плотность материала.

В связи с конечной скоростью распространения упругих колебаний вдоль стержня можно ввести понятие длины акустической волны

. (5.23)

Длина волны на разных частотах при скорости 5000 м/с, характерной для используемых материалов, дана в табл. 5.3. Как видно, длина упругой волны в металле на радиочастоте составляет несколько миллиметров.

При длине бруска lбра /2 наступает резонанс и затухание колебаний в этом случае мало. Если колебания возбуждаются внешней силой, то напряжения и деформации будут максимальны. Если для примера взять распределение упругости напряжений и деформаций в резонирующем бруске, то края бруска в процессе колебаний перемещаются, в то время как центр бруска, в котором наблюдаются наибольшие внутренние напряжения, остается в покое. Пользуясь соотношением lбра /2, можно от длины волны перейти к резонансной частоте. Тогда получим

. (5.24)

Кроме основной резонансной частоты могут наблюдаться резонансы на кратных частотах (гармониках), когда на длине стержня укладывается целое число m полуволн.

В механических фильтрах используются изгибные, продольные, крутильные, поперечные, сдвиговые и поверхностные (волны Рэлая и Лява) волны. Деформации волн и направления их распространения приведены на рис. 5.7, где а) – изгибное, б) – продольное, в) – поперечное, г) – крутильное и д) – поверхностное колебания. Стрелками показаны деформации и направления распространения волны; λа – длина волны, которая определяется следующими скоростями распространения: vизг, vпр, vпоп, vкр, vпов. Эти скорости зависят от свойств материалов, в основном, от модуля упругости Е и плотности материала ρ. Скорости для каждого вида колебаний различны и могут отличаться в два раза.

Читайте также:  Двутональный многочастотный (dtmf) генератор на avr

В пьезоэлектрических фильтрах механические колебания возбуждаются в результате пьезоэффекта, но эти колебания в другие резонирующие элементы не передаются. Эффект фильтрации достигается вследствие того, что механический резонанс изменяет электрические характеристики цепи преобразователя электрических колебаний в механические.

Основной положительной особенностью фильтров на поверхностных акустических волнах является то, что их изготовление основывается на технологии микроэлектроники (формирование пленок с разными свойствами). По этому широкое развитие получило новое направление, относящееся к функциональной микроэлектронике, известное как актустоэлектроника.

Рассмотрим работу магнитострикционных преобразователей. Из физики известен эффект Джоуля, который состоит в том, что если некоторые ферромагнитные тела поместить в магнитное поле, то происходит намагничивание, сопровождающееся возникновением внутренних механических сил в теле. В результате меняются его геометрические размеры.

Пример приближенной эквивалентной схемы электромеханического фильтра приведен на рис. 5.12, где L1 и C1 – эквивалентные параметры резонатора, а C2 – эквивалентные связи. Число звеньев и степень связи, полученные при электрическом расчете, реализуются при конструировании фильтра. При конструировании резонаторов необходимо определить их материал и геометрические размеры, а вид колебаний выбирается заранее.

Пьезокварцевые и пьезокерамические фильтры. Значительно большие возможности дают такие принципы преобразования электрических колебаний в механические или такие принципы связей элементов электрических цепей с механическими резонаторами, при которых активные потери при преобразовании получаются малыми. Такими особенностями обладают преобразователи, в которых вследствие пьезоэффекта происходит возбуждение упругих механических колебаний. В этих преобразователях получается своеобразный конденсатор, к обкладкам которого подается напряжение переменного тока.

Схема замещения пьезоэлектрического резонатора, содержащая кроме С ветвь LCRр , отображающую действие резонатора, а также зависимость модуля сопротивления |Z|, полученную экспериментально с учетом потерь, и зависимость реактивного сопротивления х резонатора при отсутствии потерь приведены на рис. 5.17. Частота fp соответствует частоте последовательного резонанса между индуктивностью L и емкостью С: fp=1/2π. При этом сопротивление резонатора резко уменьшается, достигая сопротивления резонатора резко уменьшается, достигая сопротивления Rp – активного сопротивления, отображающего наличие потерь при колебаниях пластины резонатора.

|следующая лекция ==>
И КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ В РЭА|Активные фильтры

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 1187 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
×
×
Adblock
detector