Кварцевые фильтры: принцип работы, применение и характеристики

Введение

Кристаллический фильтр пропускает определенные частоты через электрическую цепь, ослабляя нежелательные частоты. Электронный фильтр может использовать кварцевые кристаллы в качестве резонаторных элементов фильтрующей схемы. Кварцевые кристаллы обладают пьезоэлектрическим эффектом, поэтому их механические характеристики могут влиять на электронные схемы (см. механический фильтр). В частности, кварцевые кристаллы могут демонстрировать механический резонанс с очень высоким коэффициентом добротности (Q) – от 10 000 до 100 000 и выше, что значительно превышает значения для обычных резонаторов, построенных на индуктивностях и конденсаторах. Стабильность кристалла и его высокий Q-фактор обеспечивают кристаллическим фильтрам точную центральную частоту и крутые характеристики полосы пропускания. Типичное затухание кристаллических фильтров в полосе пропускания составляет приблизительно 2–3 дБ. Кристаллические фильтры широко используются в устройствах связи, таких как радиоприемники. Они применяются на промежуточных частотах (ПЧ) высококачественных радиоприемников, поскольку отличаются высокой механической стабильностью и, следовательно, незначительным изменением резонансной частоты при изменении рабочей температуры. Для приложений, требующих максимальной стабильности, кристаллы помещают в термостаты с контролируемой температурой, обеспечивая независимость рабочей температуры от температуры окружающей среды. В более дешевых устройствах могут использоваться керамические фильтры, построенные на керамических резонаторах (также использующих пьезоэлектрический эффект), или настроенные LC-контуры. Высококачественные фильтры типа "кристаллическая лестница" могут быть созданы из последовательно соединенных кристаллов. Наиболее распространенное применение кристаллических фильтров – частоты 9 МГц или 10,7 МГц для обеспечения селективности в приемниках связи, или более высокие частоты в качестве фильтра "крыши" в приемниках с повышением частоты. Вибрационные частоты кристалла определяются его "резом" (физической формой), например, распространенным резом AT, используемым в кристаллических фильтрах для радиосвязи. Рез также определяет некоторые температурные характеристики, влияющие на стабильность резонансной частоты. Однако кварц обладает высокой собственной температурной стабильностью, и его форма мало изменяется при температурах, характерных для большинства радиоприемников. В отличие от него, более дешевые керамические фильтры часто используются на частоте 10,7 МГц для фильтрации нежелательных частот в потребительских FM-приемниках. Кроме того, более низкая частота (обычно 455 кГц или около того) может использоваться в качестве второй промежуточной частоты с применением пьезоэлектрического фильтра. Керамические фильтры на частоте 455 кГц могут обеспечивать сравнимую с кристаллическими фильтрами на 10,7 МГц узкую полосу пропускания. Концепция использования кварцевых кристаллов в качестве фильтрующего элемента была впервые предложена У. Г. Кэди в 1922 году, но значительный вклад в разработку методов включения кристаллов в LC-сети внес У. П. Мейсон в конце 1920-х и начале 1930-х годов, что заложило основу для дальнейшего прогресса в телефонной связи. Конструкции кристаллических фильтров 1960-х годов позволили реализовать фильтры Чебышева, Баттерворта и другие стандартные типы фильтров. Разработка кристаллических фильтров продолжалась в 1970-х и 1980-х годах с появлением многополюсных монолитных фильтров, которые сегодня широко используются для обеспечения селективности ПЧ в приемниках связи. Кристаллические фильтры сегодня применяются в радиосвязи, телекоммуникациях, генерации сигналов и GPS-устройствах.

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.