Създаване на мултимедиен продукт на тема “Безиндуктивни филтри” Разработил: Пламен Георгиев Клюсански ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ "К О Л Е Ж П О Т Е Л Е.
Download ReportTranscript Създаване на мултимедиен продукт на тема “Безиндуктивни филтри” Разработил: Пламен Георгиев Клюсански ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ "К О Л Е Ж П О Т Е Л Е.
Slide 1
Създаване на мултимедиен продукт на тема
“Безиндуктивни филтри”
Разработил:
Пламен Георгиев Клюсански
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 2
Общи сведения за филтри
Пасивни RC - филтри
Активни RC – филтри
Кварцови филтри
Филтри с повърхностна
акустична вълна
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 3
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Електрическите филтри представляват четириполюсници, които пропускат
сигналите в определена честотна лента с минимално затихване, а за сигналите с честоти
извън тази честотна лента имат максимално затихване.
Филтрите могат да се класифицират по следния начин:
Според пропусканата честотна лента:
нискочестотен
филтър - лентата на
пропускане е от 0 до ωc ,
която се нарича честота
на сряза или гранична
честота фиг. 1 а)
високочестотен филтър лентата на пропускане е от ωc
до безкрайност фиг. 1б)
а)
б)
режекторен (заграждащ,
спиращ) филтър - лентата на
пропускане е между 0 и ωc1 и
ωc2 и безкрайност, честотната
лента от ωc1 до ωc2 се нарича
лента на непропускане (ЛНП)
фиг. 1 г.
лентов филтър лентата на пропускане
е от ωc1 до ωc2 фиг. 1 в)
в)
Фиг.1
| Нискочестотни филтри |
г)
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 4
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Според обработваните сигнали:
- аналогови филтри - обработват непрекъснати сигнали;
- цифрови филтри - обработват дискретни сигнали.
Според елементите, с които се реализира:
- активни филтри - обикновено съдържат операционен усилвател;
- пасивни филтри
= безиндуктивни - изградени от резистори и кондензатори и филтри
с повърхностни акустични вълни (ПАВ), кварцови филтри и други;
= реактивни - изградени от индуктивни бобини и кондензатори.
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 5
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Най-простата схема на пасивен филтър съдържа два елемента и се нарича Г-звено
При свързването на две Г- звена се получават Т- образен филтър (Т- звено) или П- образен
филтър (П- звено). За да се увеличи стръмността на честотната характеристика, няколко Тили П- звена се свързват каскадно.
Честотната характеристика (ЧХ) представлява зависимостта на коефициента на
предаване на филтъра от честотата на сигнала. Коефициентът на предаване е отношението
между амплитудата на сигнала на изхода на филтъра и тази на входния сигнал
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 6
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Г звено на нискочестотен безиндуктивен филтър
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на
нискочестотен филтър
С нарастване на честотата съпротивлението Хс = 1/ωС намалява и изходното
напрежение намалява, тъй като R и 1/ωC образуват делител. При това стойността на R е постоянна
и не зависи от честотата. Коефициентът на предаване се определя по следния начин:
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 7
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична
вълна |
Т звено (а) и П звено (б) на нискочестотен безиндуктивен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 8
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При ниски честоти съпротивлението Хc = 1/ωС е голямо и с нарастване на честотата
намалява. По тази причина изходното напрежение нараства и се стреми асимтотично към
единица.
Г звено на високочестотен безиндуктивен филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на
нискочестотен филтър
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 9
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Изразите за
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
,K(р), | | и φ са съответно:
Чрез съответно свързване на две Г звена се получават Т и П звено.
Фиг.1
Фиг.2
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 10
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Най-простият начин за реализиране на лентов филтър е като се свържат
последователно Г-образни нискочестотен филтър и високочестотен филтър, като няма значение
кое от двете звена е първо и кое второ Като лентов филтър може да се използва мостът на
Робинзон - Вин.
Лентов филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на нискочестотен филтър
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 11
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Мост на Робинзон - Вин
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 12
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Режекторен филтър може да се получи като се свържат паралелно ниско честотен
и високочестотен филтър.
режекторен филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на режекторен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 13
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Типичен представител на заграждащите филтри с най-добри параметри е
Двойният Т мост. Този режекторен безиндуктивен филтър намира доста приложения в
практиката. Съставен е от един нискочестотен и един високочестотен филтър, свързани
паралелно
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 14
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Активните филтри се отличават по това, че съдържат активни елементи. Ролята
на активен елемент обикновено се изпълнява от операционен усилвател (ОУ). Известно е,
че той има голямо входно и малко изходно съпротивление. Това обстоятелство е
благоприятната предпоставка за създаване на филтри с голяма стръмност на
характеристиката. Останалите елементи на активния филтър са RC вериги. Тяхното
използване допринася за намаляване на размерите и масата на филтъра. Използването на
активни бобини се избягва въпреки възможността за тяхното имитиране чрез жиратори
(устройства за преобразуване на съпротивлението — например капацитивно в
индуктивно).
В зависимост от реда на полинома на RC веригата се различават активни филтри
от първи, втори и т. н. ред.
Анализът и изчислението на активните филтри се извършва, като се използват
многочлените на Бътъруърд, Чебишев, Бесел и др., т. е. като полиномни филтри.
Възможни са реализации на нискочестотни, високочестотни, лентови и режекторни
филтри.
Активните филтри с операционни усилватели нямат приложение в областта на
високите честоти, тъй като граничната честота на ОУ е сравнително ниска.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 15
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
За пасивната верига е известно, че
Общата предавателна функция е
Схема на нискочестотен активен филтър от първи ред
Честотата, при която модулът на коефициента
на предаване спада с 3 dB (граничната честота ωо), се
определя от зависимостта
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 16
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Схемата на нискочестотния активен филтър от втори ред освен отрицателната
обратна връзка чрез R1 и R2 съдържа и верига за положителна обратна връзка, която се
осъществява с кондензатора с, свързан между изхода на ОУ и т. а. Елементите r и с
създават rc звено от втори ред. За да бъде филтърът стабилен, трябва отрицателната,
обратна връзка да е възможно по-дълбока, а това означава усилването да бъде малко.
Анализът на схемата може да се извърши, като се
използва равновесното състояние на т. А, т. е. сумата на
влизащите и излизащите токове да е равна на нула:
При това се допуска, че входният ток на
неинвертиращия вход (означен с +) е пренебрежимо малък.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 17
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Кварцовите филтри са лентови филтри, които се наричат още кварцови резонатори и се
използват преди всичко в генераторите, тъй като имат голям качествен фактор и осигуряват
стабилност на генерираните трептения. Действието на този вид филтър се основава на
пиезоелектрическия ефект. Както е известно от физиката, ако се въздейства върху една пластинка
от пиезокристал с променливо електрическо поле, в нея се появяват механични сили и обратно. За
пиезокристали се използват кварцът, сегнетовата сол, бариевият титанат и др. Най-голямо
разпространение имат кварцовите кристали, тъй като са твърди, здрави, топлоустойчиви,
нехигроскопични, устойчиви на киселини и основи и са с малък температурен коефициент на
разширение.
От кварцовия кристал се изрязват пластинки под строго определени ъгли спрямо осите. С
последователния трептящ кръг, съставен от елементите R, L и С, се моделират
пиезоелектрическите свойства на пластинката. Капацитетът C0 е съставен от капацитета на
електродите към пластинката и от монтажните капацитети.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 18
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Примерните стойности на елементите на еквивалентната схема са:
L — от стотни до десети Н,
С — от стотни до десети pF,
R — от няколко до десетки Ω.
Голямата индуктивност и малкият капацитет на пластинката са причина да се получи голямо
характеристично съпротивление ρ =, а в резултат па това и голям качествен фактор, тъй като
Q
R
Установено е, че Q достига стотици хиляди.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 19
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Означението на кварцовия
резонатор в схемите
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
фиг. 1
еквивалентна електрическа схема
От еквивалентната схема се вижда, че са възможни два резонанса. Единият е в оследователния
кръг с резонансна честота.
При ƒ < ƒпоcл резонаторът се отнася като капацитивно съпротивление. Когато
ƒ = ƒпосл — съпротивлението е нула, а след това за ƒ > ƒ посл - то е индуктивно.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 20
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Паралелният резонанс настъпва, защото резонаторът има свойството на
еквивалентна индуктивност, към която е свързан паралелно капацитетът Со. Ако се изрази
ƒпар по подходящ начин, може да се получи и съотношението между двете честоти, а
именно:
Следователно ƒпар > ƒ посл
За работна честота се предпочита ƒ посл, тъй като зависи само от параметрите на
кварцовата пластинка. Втората честота ƒпар се влияе от капацитета C0, а той — от външни фактори.
Кварцовият резонатор е механична трептяща система с разпределени параметри;
честотите му на механичен резонанс са безкрайно много. В практиката се използва преда всичко
най-ниската честота, наречена основен тон, но е напълно възможно и използването на обертонове. За
тях могат да се съставят същите еквивалентни схеми.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 21
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При филтрите с повърхностна акустична вълна са избягнати всички недостатъци на
обикновените LC-филтри. Филтрите с ПАВ са конструктивно завършено изделие, в което се
извършва обработката на сигнала не чрез голям брой функционални елементи, а като се използват
съответни физични явления.
Принципът на действие на филтрите с ПАВ се свежда до използването на две отдавна
познати и добре изучени физични явления — пиезоелектричния ефект (1880 г.) и
разпространението на ПАВ (1885 г.). Технологични трудности дълги години са попречили на
практическото приложение на тези ефекти за целите на радиоелектрониката. Филтри с ПАВ са
използвани за първи път по време на Втората световна война в скъпо струващите
радиолокационни станции. Масовото производство и внедряване на филтри с ПАВ в
телевизионните приемници започна едва преди двадесетина години след като бяха овладени
фотолитографските методи на планарната технология.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 22
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Кристалната решетка на пиезоелектричните материали се състои от поляризирани
частици — диполи. Както бе посочено по-горе при въздействието на механични
напрежения в кристала се изменя разположението на поляризираните частици и
големината и посоката на диполните моменти, в резултат на което на повърхността се
появяват електрически заряди. Обратно, въздействието на външно електрическо поле е
свързано с ориентиране на заредените частици в кристалната решетка и деформация на
кристала. При подаване на променливо електрическо поле на пиезоелектричен кристал
частиците на веществото в него започват да трептят с честотата на полето, като с това
възбуждат механична (акустична) вълна. При разпространението си по кристала
акустичната вълна разтрептява частиците на веществото, като ги доближава или отдалечава една от друга.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 23
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Акустичната вълна в кристала се разпространява във всички посоки. Още при първите
изследвания на това явление е установено, че вълните във вътрешността на пиезокристала
затихва много по-бързо, отколкото на повърхността му. Оттук идва названието на вълните —
повърхностни.
При разпространението на акустичната вълна по повърхността на кристала частиците
извършват движение по елиптични траектории. Такова движение може да се разложи на две
взаимно перпендикулярни съставни. Едната е с посоката на разпространение на вълната,а
другата е нормална към повърхността на кристала. Скоростта на разпространение на
повърхностни вълни не зависи от честотата в широк честотен обхват. Ако обаче върху
повърхността на кристала се нанесе тънък слой друго вещество, то скоростта на
повърхностните вълни,дължината на които е съизмерима с дебелината на този слой, зависи от
честотата.
Разпространение на ПАВ в правилна кристална структура.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 24
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Скоростта на разпространение на ПАВ в твърдите тела е 1,5 - 3 km/s, т. е. около 105 пъти
по-малка от скоростта на разпространение на електромагнитните вълни.
Материалите, които могат да се използват като среда за възбуждане и разпространение на
ПАВ, са много (ZnS, CdS, CaAs и др.). Най-широко използвани засега във филтрите с ПАВ е
литиевият ниобат (LiNb03). 3a перспективни материали се смятат керамичните материали от
групата на фероелектриците, а именно оловен титанат и оловен цирконат.
Макет на филтър с ПАВ
За преобразуване на електромагнитните вълни в акустични и обратно се използва система от
електроди, разположени в двата края на пластината с пиезоефект . Електродите представляват вмъкнати
една в друга две гребеновидни структури и се наричат насрещно-гребеновидни. Външно такива
електроди напомнят за познатата гребеновидна структура на електродите емитер - база при мощните
транзистори.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 25
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При подаване на електрически сигнал с определена честота на входния
преобразувател в плочата с ПЕ възниква електрическо поле и вследствие на пиезоефекта
се възбуждат акустични вълни. След като ПАВ достигнат до изходния насрещногребеновиден преобразувател, те се превръщат отново в електрически сигнали.
Геометричните размери на филтъра с ПАВ са пряко свързани с неговите
електрически параметри. Филтърът е интегрална микросхема, в която електрически
присъединените елементи и кристала се разглеждат като едно цяло.
Времето на разпространение на ПАВ (времето на закъснение на електрическия
сигнал) зависи главно от разстоянието между входния и изходния преобразувател.
Броят на двойките зъби N е параметър, който определя ефективността на
електромеханичното преобразуване на филтъра с ПАВ. Увеличаването на броя на зъбите
на гребеновидната структура повишава ефективността на преобразуване, но стеснява
работната честотна лента.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 26
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
За всеки материал съществува оптимален брой на двойките зъби N и съответна оптимална
честотна, работна лента, при които загубите от преобразуването са минимални. При материали с
голям електромеханичен коефициент на преобразуване (литиев ниобат) може да се получи до 23%
относителна честотна лента, докато при материали кaтo кварца тя възлиза само на 5%. Аналитично
широчината на лентата на пропускане на филтър с ПАВ се определя с израза където f0 е резонансната
честота на преобразувателя.
Най-добро енергийно съотношение се получава, когато тази честота е
равна на честотата на пренасяните електрически сигнали.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 27
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Всеки филтър с ПАВ се съгласува с вътрешното съпротивление на възбудителния
източник и товара. За тази цел може да се изменя капацитетът между двете гребеновидни
структури, като се мени широчината на гребеновидния преобразувател b1.
Модифицирането на филтъра с ПАВ се извършва по три начина:
— чрез изменение на разстоянието между зъбите (d),
— чрез изменение на широчината на зъбите (b2),
— чрез изменение на дължината на зъбите (l2).
С тези изменения се постигат не само желаните АЧХ, но и необходимите ФЧХ.
Филтрите с ПАВ са от неминимално фазов тип, т. е. при тях за разлика от обикновените
LC-филтри не съществува пряка връзка между АЧХ и ФЧХ.
Обикновено разстоянието между два зъба на едната гребеновидна структура d е
равно на дължината на ПАВ λ0.
Най-често се използва равномерната насрещно-гребеновидна структура, при която
широчината на пътечката е равна на разстоянието между два съседни зъба
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 28
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Между скоростта на разпространение V, дължината на акустичната вълна λ0 и честотата на
преобразувателя ƒ0 съществува зависимостта.
От израза се вижда, че вследствие на ниската скорост на разпространение на ПАВ
нейната дължина е много по-малка от тази на възбуждащата я електромагнитна вълна. Например
при честота на електрическите сигнали около 1000 MHz се възбуждат акустични вълни с дължини
на вълната между 20 и 35 nm които са значително по-малки от дължините на електромагнитните
вълни в микровълновия обхват. Това обстоятелство ограничава прилагането на филтри с ПАВ във
високочестотните обхвати. Ако честотата на генерираното трептение е 1 GHz (30 cm), ПАВ е с
дължина едва няколко nm и разстоянието между зъбите на преобразувателя, съответно тяхната
широчина трябва да е около 1 nm. В този случай не могат да се прилагат фотолитографските
методи, а се използват специални електронни или лазерни методи.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 29
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
АЧХ на насрещно-гребеновиден преобразувател с еднаква дължина на зъбите.
Вижда се че характеристиката наподобява характеристиката на филтър с
периодично намаляващи максимуми, като за определени честоти сигналът затихва почти
напълно. Такава характеристика се описва аналитично с израза.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 30
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Чрез изменение дължината нa зъбите по определен закон е възможно да се получи
АЧХ, чиято форма отговаря напълно на стандартната АЧХ на междинно честотен
усилвател за изображението в телевизионните приемници.
Насрещно-гребеновиден преобразувател с различна дължина на зъбите
АЧХ на филтър с ПАВ с преобразувателя от фиг. 1.26
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 31
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Определянето на крайните геометрични размери на плочката на филтъра също се
извършва съобразно вида на физичните явления. Тъй като ПАВ не прониква в кристала на
дълбочина, по-голяма от дължината на вълната, то обикновено се избира дебелината на
плочката ϐ да е равна на λ0.
Общата дължина на двата насрещно-гребеновидни преобразувателя е
Разстоянието между двата преобразувателя определя времето на преминаване
(закъснение) на сигнала. Общата дължина на плочката L се приема ориентировъчно
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 32
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Предимствата на филтрите с ПАВ в сравнение с обикновените LC-филтри са
следните:
— липса на настройка,
— практически постоянни параметри в широк температурен интервал,
— стабилност на параметрите за срока на експлоатация,
— малък обем,
— висока надеждност,
— нечувствителност към микрофония.
Съвременното състояние на планарната технология осигурява много добри
технически параметри и напълно приемлива цена при масовото производство на
филтрите с ПАВ и затова те се прилагат широко във всички ВЧ и СЛУ устройства, където
трябва да се постигнат определени АЧХ и ФЧХ.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 33
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Протокол към лабораторно упражнение за изследване на
филтри с възможност за автоматично изчисление и
изчертаване на АЧХ
Изчисляване честотите на безиндуктивни RC филтри
при зададени стойности на елементите
?/+ =
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 34
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Изчисляване на честотата на среза ωc на Г звено на НЧФ и ВЧФ
Г звено на нискочестотен безиндуктивен филтър
Високочестотен безиндуктивен филтър Г звено
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 35
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Изчисляване на честотата ωо на ЛФ
0
1
R1R2C1C2
f0
0
2
Мост на Робинзон - Вин
лентов филтър
Изчисляване на честотата на спиране ωo на РФ (двоен Т мост)
0
1
( R1 R2 ) R3C1C2
f0
Режекторен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
0
2
Slide 36
БЛАГОДАРЯ ЗА
ВНИМАНИЕТО
Създаване на мултимедиен продукт на тема
“Безиндуктивни филтри”
Разработил:
Пламен Георгиев Клюсански
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 2
Общи сведения за филтри
Пасивни RC - филтри
Активни RC – филтри
Кварцови филтри
Филтри с повърхностна
акустична вълна
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 3
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Електрическите филтри представляват четириполюсници, които пропускат
сигналите в определена честотна лента с минимално затихване, а за сигналите с честоти
извън тази честотна лента имат максимално затихване.
Филтрите могат да се класифицират по следния начин:
Според пропусканата честотна лента:
нискочестотен
филтър - лентата на
пропускане е от 0 до ωc ,
която се нарича честота
на сряза или гранична
честота фиг. 1 а)
високочестотен филтър лентата на пропускане е от ωc
до безкрайност фиг. 1б)
а)
б)
режекторен (заграждащ,
спиращ) филтър - лентата на
пропускане е между 0 и ωc1 и
ωc2 и безкрайност, честотната
лента от ωc1 до ωc2 се нарича
лента на непропускане (ЛНП)
фиг. 1 г.
лентов филтър лентата на пропускане
е от ωc1 до ωc2 фиг. 1 в)
в)
Фиг.1
| Нискочестотни филтри |
г)
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 4
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Според обработваните сигнали:
- аналогови филтри - обработват непрекъснати сигнали;
- цифрови филтри - обработват дискретни сигнали.
Според елементите, с които се реализира:
- активни филтри - обикновено съдържат операционен усилвател;
- пасивни филтри
= безиндуктивни - изградени от резистори и кондензатори и филтри
с повърхностни акустични вълни (ПАВ), кварцови филтри и други;
= реактивни - изградени от индуктивни бобини и кондензатори.
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 5
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Най-простата схема на пасивен филтър съдържа два елемента и се нарича Г-звено
При свързването на две Г- звена се получават Т- образен филтър (Т- звено) или П- образен
филтър (П- звено). За да се увеличи стръмността на честотната характеристика, няколко Тили П- звена се свързват каскадно.
Честотната характеристика (ЧХ) представлява зависимостта на коефициента на
предаване на филтъра от честотата на сигнала. Коефициентът на предаване е отношението
между амплитудата на сигнала на изхода на филтъра и тази на входния сигнал
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 6
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Г звено на нискочестотен безиндуктивен филтър
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на
нискочестотен филтър
С нарастване на честотата съпротивлението Хс = 1/ωС намалява и изходното
напрежение намалява, тъй като R и 1/ωC образуват делител. При това стойността на R е постоянна
и не зависи от честотата. Коефициентът на предаване се определя по следния начин:
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 7
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична
вълна |
Т звено (а) и П звено (б) на нискочестотен безиндуктивен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 8
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При ниски честоти съпротивлението Хc = 1/ωС е голямо и с нарастване на честотата
намалява. По тази причина изходното напрежение нараства и се стреми асимтотично към
единица.
Г звено на високочестотен безиндуктивен филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на
нискочестотен филтър
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 9
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Изразите за
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
,K(р), | | и φ са съответно:
Чрез съответно свързване на две Г звена се получават Т и П звено.
Фиг.1
Фиг.2
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 10
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Най-простият начин за реализиране на лентов филтър е като се свържат
последователно Г-образни нискочестотен филтър и високочестотен филтър, като няма значение
кое от двете звена е първо и кое второ Като лентов филтър може да се използва мостът на
Робинзон - Вин.
Лентов филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на нискочестотен филтър
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 11
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Мост на Робинзон - Вин
| Нискочестотни филтри |
Високочестотни филтри |
Лентов филтър |
| Режекторен (заграждащ) филтър |
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 12
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Режекторен филтър може да се получи като се свържат паралелно ниско честотен
и високочестотен филтър.
режекторен филтър
Амплитудно-честотна и фазово-честотна характеристика на режекторен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 13
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Типичен представител на заграждащите филтри с най-добри параметри е
Двойният Т мост. Този режекторен безиндуктивен филтър намира доста приложения в
практиката. Съставен е от един нискочестотен и един високочестотен филтър, свързани
паралелно
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 14
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Активните филтри се отличават по това, че съдържат активни елементи. Ролята
на активен елемент обикновено се изпълнява от операционен усилвател (ОУ). Известно е,
че той има голямо входно и малко изходно съпротивление. Това обстоятелство е
благоприятната предпоставка за създаване на филтри с голяма стръмност на
характеристиката. Останалите елементи на активния филтър са RC вериги. Тяхното
използване допринася за намаляване на размерите и масата на филтъра. Използването на
активни бобини се избягва въпреки възможността за тяхното имитиране чрез жиратори
(устройства за преобразуване на съпротивлението — например капацитивно в
индуктивно).
В зависимост от реда на полинома на RC веригата се различават активни филтри
от първи, втори и т. н. ред.
Анализът и изчислението на активните филтри се извършва, като се използват
многочлените на Бътъруърд, Чебишев, Бесел и др., т. е. като полиномни филтри.
Възможни са реализации на нискочестотни, високочестотни, лентови и режекторни
филтри.
Активните филтри с операционни усилватели нямат приложение в областта на
високите честоти, тъй като граничната честота на ОУ е сравнително ниска.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 15
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
За пасивната верига е известно, че
Общата предавателна функция е
Схема на нискочестотен активен филтър от първи ред
Честотата, при която модулът на коефициента
на предаване спада с 3 dB (граничната честота ωо), се
определя от зависимостта
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 16
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Схемата на нискочестотния активен филтър от втори ред освен отрицателната
обратна връзка чрез R1 и R2 съдържа и верига за положителна обратна връзка, която се
осъществява с кондензатора с, свързан между изхода на ОУ и т. а. Елементите r и с
създават rc звено от втори ред. За да бъде филтърът стабилен, трябва отрицателната,
обратна връзка да е възможно по-дълбока, а това означава усилването да бъде малко.
Анализът на схемата може да се извърши, като се
използва равновесното състояние на т. А, т. е. сумата на
влизащите и излизащите токове да е равна на нула:
При това се допуска, че входният ток на
неинвертиращия вход (означен с +) е пренебрежимо малък.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 17
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Кварцовите филтри са лентови филтри, които се наричат още кварцови резонатори и се
използват преди всичко в генераторите, тъй като имат голям качествен фактор и осигуряват
стабилност на генерираните трептения. Действието на този вид филтър се основава на
пиезоелектрическия ефект. Както е известно от физиката, ако се въздейства върху една пластинка
от пиезокристал с променливо електрическо поле, в нея се появяват механични сили и обратно. За
пиезокристали се използват кварцът, сегнетовата сол, бариевият титанат и др. Най-голямо
разпространение имат кварцовите кристали, тъй като са твърди, здрави, топлоустойчиви,
нехигроскопични, устойчиви на киселини и основи и са с малък температурен коефициент на
разширение.
От кварцовия кристал се изрязват пластинки под строго определени ъгли спрямо осите. С
последователния трептящ кръг, съставен от елементите R, L и С, се моделират
пиезоелектрическите свойства на пластинката. Капацитетът C0 е съставен от капацитета на
електродите към пластинката и от монтажните капацитети.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 18
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Примерните стойности на елементите на еквивалентната схема са:
L — от стотни до десети Н,
С — от стотни до десети pF,
R — от няколко до десетки Ω.
Голямата индуктивност и малкият капацитет на пластинката са причина да се получи голямо
характеристично съпротивление ρ =, а в резултат па това и голям качествен фактор, тъй като
Q
R
Установено е, че Q достига стотици хиляди.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 19
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
Означението на кварцовия
резонатор в схемите
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
фиг. 1
еквивалентна електрическа схема
От еквивалентната схема се вижда, че са възможни два резонанса. Единият е в оследователния
кръг с резонансна честота.
При ƒ < ƒпоcл резонаторът се отнася като капацитивно съпротивление. Когато
ƒ = ƒпосл — съпротивлението е нула, а след това за ƒ > ƒ посл - то е индуктивно.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 20
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Паралелният резонанс настъпва, защото резонаторът има свойството на
еквивалентна индуктивност, към която е свързан паралелно капацитетът Со. Ако се изрази
ƒпар по подходящ начин, може да се получи и съотношението между двете честоти, а
именно:
Следователно ƒпар > ƒ посл
За работна честота се предпочита ƒ посл, тъй като зависи само от параметрите на
кварцовата пластинка. Втората честота ƒпар се влияе от капацитета C0, а той — от външни фактори.
Кварцовият резонатор е механична трептяща система с разпределени параметри;
честотите му на механичен резонанс са безкрайно много. В практиката се използва преда всичко
най-ниската честота, наречена основен тон, но е напълно възможно и използването на обертонове. За
тях могат да се съставят същите еквивалентни схеми.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 21
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При филтрите с повърхностна акустична вълна са избягнати всички недостатъци на
обикновените LC-филтри. Филтрите с ПАВ са конструктивно завършено изделие, в което се
извършва обработката на сигнала не чрез голям брой функционални елементи, а като се използват
съответни физични явления.
Принципът на действие на филтрите с ПАВ се свежда до използването на две отдавна
познати и добре изучени физични явления — пиезоелектричния ефект (1880 г.) и
разпространението на ПАВ (1885 г.). Технологични трудности дълги години са попречили на
практическото приложение на тези ефекти за целите на радиоелектрониката. Филтри с ПАВ са
използвани за първи път по време на Втората световна война в скъпо струващите
радиолокационни станции. Масовото производство и внедряване на филтри с ПАВ в
телевизионните приемници започна едва преди двадесетина години след като бяха овладени
фотолитографските методи на планарната технология.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 22
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Кристалната решетка на пиезоелектричните материали се състои от поляризирани
частици — диполи. Както бе посочено по-горе при въздействието на механични
напрежения в кристала се изменя разположението на поляризираните частици и
големината и посоката на диполните моменти, в резултат на което на повърхността се
появяват електрически заряди. Обратно, въздействието на външно електрическо поле е
свързано с ориентиране на заредените частици в кристалната решетка и деформация на
кристала. При подаване на променливо електрическо поле на пиезоелектричен кристал
частиците на веществото в него започват да трептят с честотата на полето, като с това
възбуждат механична (акустична) вълна. При разпространението си по кристала
акустичната вълна разтрептява частиците на веществото, като ги доближава или отдалечава една от друга.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 23
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Акустичната вълна в кристала се разпространява във всички посоки. Още при първите
изследвания на това явление е установено, че вълните във вътрешността на пиезокристала
затихва много по-бързо, отколкото на повърхността му. Оттук идва названието на вълните —
повърхностни.
При разпространението на акустичната вълна по повърхността на кристала частиците
извършват движение по елиптични траектории. Такова движение може да се разложи на две
взаимно перпендикулярни съставни. Едната е с посоката на разпространение на вълната,а
другата е нормална към повърхността на кристала. Скоростта на разпространение на
повърхностни вълни не зависи от честотата в широк честотен обхват. Ако обаче върху
повърхността на кристала се нанесе тънък слой друго вещество, то скоростта на
повърхностните вълни,дължината на които е съизмерима с дебелината на този слой, зависи от
честотата.
Разпространение на ПАВ в правилна кристална структура.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 24
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Скоростта на разпространение на ПАВ в твърдите тела е 1,5 - 3 km/s, т. е. около 105 пъти
по-малка от скоростта на разпространение на електромагнитните вълни.
Материалите, които могат да се използват като среда за възбуждане и разпространение на
ПАВ, са много (ZnS, CdS, CaAs и др.). Най-широко използвани засега във филтрите с ПАВ е
литиевият ниобат (LiNb03). 3a перспективни материали се смятат керамичните материали от
групата на фероелектриците, а именно оловен титанат и оловен цирконат.
Макет на филтър с ПАВ
За преобразуване на електромагнитните вълни в акустични и обратно се използва система от
електроди, разположени в двата края на пластината с пиезоефект . Електродите представляват вмъкнати
една в друга две гребеновидни структури и се наричат насрещно-гребеновидни. Външно такива
електроди напомнят за познатата гребеновидна структура на електродите емитер - база при мощните
транзистори.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 25
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
При подаване на електрически сигнал с определена честота на входния
преобразувател в плочата с ПЕ възниква електрическо поле и вследствие на пиезоефекта
се възбуждат акустични вълни. След като ПАВ достигнат до изходния насрещногребеновиден преобразувател, те се превръщат отново в електрически сигнали.
Геометричните размери на филтъра с ПАВ са пряко свързани с неговите
електрически параметри. Филтърът е интегрална микросхема, в която електрически
присъединените елементи и кристала се разглеждат като едно цяло.
Времето на разпространение на ПАВ (времето на закъснение на електрическия
сигнал) зависи главно от разстоянието между входния и изходния преобразувател.
Броят на двойките зъби N е параметър, който определя ефективността на
електромеханичното преобразуване на филтъра с ПАВ. Увеличаването на броя на зъбите
на гребеновидната структура повишава ефективността на преобразуване, но стеснява
работната честотна лента.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 26
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
За всеки материал съществува оптимален брой на двойките зъби N и съответна оптимална
честотна, работна лента, при които загубите от преобразуването са минимални. При материали с
голям електромеханичен коефициент на преобразуване (литиев ниобат) може да се получи до 23%
относителна честотна лента, докато при материали кaтo кварца тя възлиза само на 5%. Аналитично
широчината на лентата на пропускане на филтър с ПАВ се определя с израза където f0 е резонансната
честота на преобразувателя.
Най-добро енергийно съотношение се получава, когато тази честота е
равна на честотата на пренасяните електрически сигнали.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 27
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Всеки филтър с ПАВ се съгласува с вътрешното съпротивление на възбудителния
източник и товара. За тази цел може да се изменя капацитетът между двете гребеновидни
структури, като се мени широчината на гребеновидния преобразувател b1.
Модифицирането на филтъра с ПАВ се извършва по три начина:
— чрез изменение на разстоянието между зъбите (d),
— чрез изменение на широчината на зъбите (b2),
— чрез изменение на дължината на зъбите (l2).
С тези изменения се постигат не само желаните АЧХ, но и необходимите ФЧХ.
Филтрите с ПАВ са от неминимално фазов тип, т. е. при тях за разлика от обикновените
LC-филтри не съществува пряка връзка между АЧХ и ФЧХ.
Обикновено разстоянието между два зъба на едната гребеновидна структура d е
равно на дължината на ПАВ λ0.
Най-често се използва равномерната насрещно-гребеновидна структура, при която
широчината на пътечката е равна на разстоянието между два съседни зъба
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 28
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Между скоростта на разпространение V, дължината на акустичната вълна λ0 и честотата на
преобразувателя ƒ0 съществува зависимостта.
От израза се вижда, че вследствие на ниската скорост на разпространение на ПАВ
нейната дължина е много по-малка от тази на възбуждащата я електромагнитна вълна. Например
при честота на електрическите сигнали около 1000 MHz се възбуждат акустични вълни с дължини
на вълната между 20 и 35 nm които са значително по-малки от дължините на електромагнитните
вълни в микровълновия обхват. Това обстоятелство ограничава прилагането на филтри с ПАВ във
високочестотните обхвати. Ако честотата на генерираното трептение е 1 GHz (30 cm), ПАВ е с
дължина едва няколко nm и разстоянието между зъбите на преобразувателя, съответно тяхната
широчина трябва да е около 1 nm. В този случай не могат да се прилагат фотолитографските
методи, а се използват специални електронни или лазерни методи.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 29
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
АЧХ на насрещно-гребеновиден преобразувател с еднаква дължина на зъбите.
Вижда се че характеристиката наподобява характеристиката на филтър с
периодично намаляващи максимуми, като за определени честоти сигналът затихва почти
напълно. Такава характеристика се описва аналитично с израза.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 30
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Чрез изменение дължината нa зъбите по определен закон е възможно да се получи
АЧХ, чиято форма отговаря напълно на стандартната АЧХ на междинно честотен
усилвател за изображението в телевизионните приемници.
Насрещно-гребеновиден преобразувател с различна дължина на зъбите
АЧХ на филтър с ПАВ с преобразувателя от фиг. 1.26
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 31
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Определянето на крайните геометрични размери на плочката на филтъра също се
извършва съобразно вида на физичните явления. Тъй като ПАВ не прониква в кристала на
дълбочина, по-голяма от дължината на вълната, то обикновено се избира дебелината на
плочката ϐ да е равна на λ0.
Общата дължина на двата насрещно-гребеновидни преобразувателя е
Разстоянието между двата преобразувателя определя времето на преминаване
(закъснение) на сигнала. Общата дължина на плочката L се приема ориентировъчно
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 32
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Предимствата на филтрите с ПАВ в сравнение с обикновените LC-филтри са
следните:
— липса на настройка,
— практически постоянни параметри в широк температурен интервал,
— стабилност на параметрите за срока на експлоатация,
— малък обем,
— висока надеждност,
— нечувствителност към микрофония.
Съвременното състояние на планарната технология осигурява много добри
технически параметри и напълно приемлива цена при масовото производство на
филтрите с ПАВ и затова те се прилагат широко във всички ВЧ и СЛУ устройства, където
трябва да се постигнат определени АЧХ и ФЧХ.
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 33
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Протокол към лабораторно упражнение за изследване на
филтри с възможност за автоматично изчисление и
изчертаване на АЧХ
Изчисляване честотите на безиндуктивни RC филтри
при зададени стойности на елементите
?/+ =
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 34
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Изчисляване на честотата на среза ωc на Г звено на НЧФ и ВЧФ
Г звено на нискочестотен безиндуктивен филтър
Високочестотен безиндуктивен филтър Г звено
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
Slide 35
| Общи сведения за филтри
| Кварцови филтри |
| Пасивни RC – филтри |
Активни RC – филтри |
Филтри с повърхностна акустична вълна |
Изчисляване на честотата ωо на ЛФ
0
1
R1R2C1C2
f0
0
2
Мост на Робинзон - Вин
лентов филтър
Изчисляване на честотата на спиране ωo на РФ (двоен Т мост)
0
1
( R1 R2 ) R3C1C2
f0
Режекторен филтър
ВИСШЕ УЧИЛИЩЕ
"К О Л Е Ж П О Т Е Л Е К О М У Н И К А Ц И И И П О Щ И" - С О Ф И Я
0
2
Slide 36
БЛАГОДАРЯ ЗА
ВНИМАНИЕТО