Кварцты сүзгілер және олардың қолданылуы

Кіріспе

Кристалл сүзгісі кейбір жиіліктердің электрлік тізбек арқылы «өтуіне» мүмкіндік береді, ал қажетсіз жиіліктерді әлсіретеді. Электрондық сүзгі, сүзгі тізбегінің резонаторлық компоненттері ретінде кварц кристалдарын қолдана алады. Кварц кристалдары пьезоэлектрлік қасиетке ие, сондықтан олардың механикалық сипаттамалары электрондық тізбектерге әсер ете алады (механикалық сүзгіге қараңыз). Атап айтқанда, кварц кристалдары өте жоғары Q коэффициентімен (10 000-нан 100 000-ға және одан да көп – индукторлар мен конденсаторлардан жасалған дәстүрлі резонаторларға қарағанда әлдеқайда жоғары) механикалық резонанстарды көрсете алады. Кристаллдың тұрақтылығы және оның жоғары Q коэффициенті, кристалл сүзгілеріне дәл орталық жиіліктері мен тік өткізу сипаттамаларына ие болуға мүмкіндік береді. Кристалл сүзгісінің өткізу жолағындағы типтік әлсіреуі шамамен 2-3 дБ құрайды. Кристалл сүзгілері радио қабылдағыштар сияқты байланыс құрылғыларында кеңінен қолданылады. Кристалл сүзгілері жоғары сапалы радио қабылдағыштардың аралық жиілік (АЖ) сатыларында қолданылады. Олар механикалық тұрақтылығы жоғары болғандықтан және жұмыс температурасының өзгеруімен резонанстық жиілікте аз өзгерістер болатындықтан артықшылыққа ие. Ең жоғары тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін кристалдар температурасы бақыланатын пештерге орналастырылады, бұл жұмыс температурасын қоршаған орта температурасынан тәуелсіз етеді. Арзан құрылғыларда керамикалық резонаторлардан (олар да пьезоэлектрлік эффектіні пайдаланады) немесе түзетілген LC тізбектерінен жасалған керамикалық сүзгілер қолданылуы мүмкін. Өте жоғары сапалы «кристаллдық саты» сүзгілері кристалдардың тізбектік массивтерінен құралуы мүмкін. Кристалл сүзгілері көбінесе 9 МГц немесе 10,7 МГц жиіліктерінде байланыс қабылдағыштарында таңдаулылықты қамтамасыз ету үшін, немесе жоғары жиіліктерде жоғары жиілікті түрлендіруді пайдаланатын қабылдағыштарда жабу сүзгісі ретінде қолданылады. Кристаллдың тербеліс жиіліктері оның «кесімімен» (физикалық пішінімен) анықталады, мысалы, радиобайланысқа арналған кристалл сүзгілерінде қолданылатын кең таралған АТ кесімі. Кесім резонанстық жиіліктің тұрақтылығына әсер ететін кейбір температуралық сипаттамаларды да анықтайды. Дегенмен, кварцтың табиғи түрде жоғары температуралық тұрақтылығы бар және оның пішіні әдеттегі радиоларда кездесетін температураларда көп өзгермейді. Керісінше, арзан керамикалық негіздегі сүзгілер тұтынушылардың FM қабылдағыштарында қажетсіз жиіліктерді сүзгілеу үшін 10,7 МГц жиілігінде жиі қолданылады. Сонымен қатар, төменгі жиілік (әдетте 455 кГц немесе оған жақын) екінші аралық жиілік ретінде қолданылуы мүмкін және пьезоэлектрлік сүзгіге негізделген болуы мүмкін. 455 кГц жиілігіндегі керамикалық сүзгілер 10,7 МГц жиілігіндегі кристалл сүзгілерімен салыстырылатын тар өткізу жолағына қол жеткізе алады. Кварц кристалдарын сүзгі компоненті ретінде пайдаланудың негізгі тұжырымын алғаш 1922 жылы W. G. Cady қалыптастырды, бірақ 1920 жылдардың соңы мен 1930 жылдардың басында W. P. Mason жасаған жұмыстар кристалдарды LC тізбектеріне енгізу әдістерін ұсынды, бұл телефондық байланыстағы прогрестің көп бөлігіне негіз салды. 1960 жылдардағы кристалл сүзгілерінің дизайны шынайы Чебышев, Баттерворт және басқа да стандартты сүзгі түрлерін пайдалануға мүмкіндік берді. Кристалл сүзгілерінің дизайны 1970 және 1980 жылдары көп полюсті монолитті сүзгілерді әзірлеумен жақсартылды, олар бүгінде байланыс қабылдағыштарында АЖ селективтілігін қамтамасыз ету үшін кеңінен қолданылады. Бүгінде кристалл сүзгілерін радиобайланыста, телекоммуникацияда, сигналдарды жасауда және GPS құрылғыларында кездестіруге болады.

A crystal filter allows some frequencies to 'pass' through an electrical circuit while attenuating undesired frequencies. An electronic filter can use quartz crystals as resonator components of a filter circuit. Quartz crystals are piezoelectric, so their mechanical characteristics can affect electronic circuits (see mechanical filter). In particular, quartz crystals can exhibit mechanical resonances with a very high Q factor (from 10,000 to 100,000 and greater – far higher than conventional resonators built from inductors and capacitors). The crystal's stability and its high Q factor allow crystal filters to have precise center frequencies and steep band pass characteristics. Typical crystal filter attenuation in the band pass is approximately 2 3dB. Crystal filters are commonly used in communication devices such as radio receivers. Crystal filters are used in the intermediate frequency (IF) stages of high quality radio receivers. They are preferred because they are very stable mechanically and thus have little change in resonant frequency with changes in operating temperature. For the highest available stability applications, crystals are placed in ovens with controlled temperature making operating temperature independent of ambient temperature. Cheaper sets may use ceramic filters built from ceramic resonators (which also exploit the piezoelectric effect) or tuned LC circuits. Very high quality "crystal ladder" filters can be constructed of serial arrays of crystals. The most common use of crystal filters are at frequencies of 9 MHz or 10.7 MHz to provide selectivity in communications receivers, or at higher frequencies as a roofing filter in receivers using up conversion. The vibrating frequencies of the crystal are determined by its "cut" (physical shape), such as the common AT cut used for crystal filters designed for radio communications. The cut also determines some temperature characteristics, which affect the stability of the resonant frequency. However, quartz has an inherently high temperature stability, its shape does not change much with temperatures found in typical radios. By contrast, less expensive ceramic based filters are commonly used with a frequency of 10.7 MHz to provide filtering of unwanted frequencies in consumer FM receivers. Additionally, a lower frequency (typically 455 kHz or nearby) can be used as the second intermediate frequency and have a piezoelectric based filter. Ceramic filters at 455 kHz can achieve similar narrow bandwidths to crystal filters at 10.7 MHz. The design concept for using quartz crystals as a filtering component was first established by W. G. Cady in 1922, but it was largely W. P. Mason's work in the late 1920s and early 1930s that devised methods for incorporating crystals into LC [[Thumbnail for Electronic filter topology
Electronic filter topology |lattice filter networks]] which set the groundwork for much of the progress in telephone communications. Crystal filter designs from the 1960s allowed for true Chebyshev, Butterworth, and other typical filter types. Crystal filter design continued to improve in the 1970s and 1980s with the development of multi pole monolithic filters, widely used today to provide IF selectivity in communication receivers. Crystal filters can be found today in radio communications, telecommunications, signal generation, and GPS devices.