2. Проектування спеціального електрорадіоелемента

2.1. Загальні положення



П'єзоелектричні фільтри складаються з п'єзоелектричного резонатора, індуктивностей і ємностей. Застосовуються в діапазоні частот від десятків кілогерц до 20 МГц. Фільтри відносяться до вузькосмугових із відносною смугою пропускання = 0.1% - 2%. Основна їх гідність - висока

вибірковість і висока стабільність характеристик.

П'єзоелектричний резонатор – основний елемент фільтру, складається з п'єзоелектричної пластини (п'єзоелемента|) з|із| електродами і утримувачем|тримачем|.

При розрахунку фільтрів резонатор замінюється еквівалентною електричною схемою, що складається з послідовно сполучених|з'єднаних| індуктивності Ls, ємності|ємкості| Сs і опору Rs, зашунтованих| ємністю|ємкістю| Ср



а) б)

Рис.2.1

Послідовну ємність|ємкість| Cs називають динамічною ємністю|ємкістю|, у відмінності|відзнаці| від статичної ємності|ємкості| Cр, що є ємністю|ємкістю| конденсатора, утвореного електродами з|із| п'єзоелектричною пластиною.

Залежно від діапазону частот використовується той або інший тип коливань пластини. Для частот нижче 40 кГц| застосовуються бруски з|із| коливаннями вигину|згину|. Для частот 40 ( 200 кГц| використовуються пластини з|із| повздовжніми коливаннями по довжині на основній частоті. У діапазоні 200 ( 800 кГц| застосовуються резонатори з|із| коливаннями по довжині на гармоніках|гармошках|, а так само з|із| коливаннями зрушення|зсуву| по товщині.

У діапазоні 0,6 ( 20 Мгц застосовуються резонатори з|із| коливаннями зрушення|зсуву| по товщині на основній частоті і на гармоніках|гармошках|, а для частот вище 20 МГц – резонатори з|із| коливаннями зрушення|зсуву| по товщині на гармоніках|гармошках|.

П'єзоелектрична пластина має прямокутну або круглу форму. Електродами є|з'являються,являються| тонкі плівки металу, нанесені|завдані| на великі грані пластини. Залежно від вимог до фільтру в ньому використовуються пластини різних зрізів. Зріз пластини кварцу визначається по куту|рогу,кутку| розпилювання кристала п’єзоелектрику | щодо|відносно| його осей XYZ. Найбільш споживаними є|з'являються,являються| зрізи XY, GT, AT, BT.



Еквівалентні параметри п'єзоелектричного резонатора розраховуються по формулах, залежно від типу коливання і зрізу. У таблиці 5 дані формули для розрахунку параметрів резонатора з|із| коливаннями зрушення|зсуву| по товщині. Як матеріал в даному випадку найчастіше використовується кварц. Товщина пластини t (см), площа|майдан| пластини S (см2), частота f (МГц).



Таблиця 5

Характеристика

Зріз АТ|

Зріз ВТ|



Діапазон частот, МГц

0,6 ( 20

5 ( 20



Частота fs, МГц



Індуктивність Ls, Гн



Ємкість Cs, нФ|

10-2 . S . fs

0,263 . 10-2 . S . fs



Відношення|ставлення| ємностей



240



600



Температурний коефіцієнт Тс

2 . 10-4 на 1оС

-8 . 10-4 на 1оС



Схеми, що містять|утримують| п'єзоелектричні резонатори і конденсатори називають вузькосмуговими. Еквівалентна електрична схема показана на рисунку (симетрична частина|частка| схеми не показана)



Рис.2.2



Ємність С01 рівна сумі статичної ємності|ємкості| резонатора Cp і ємності|ємкості| додаткового конденсатора CH , тобто

tion.3 HYPER14HYPER15

Ls і Cs – динамічні параметри кварцу.



Проаналізуємо схему, припускаючи|передбачаючи|, що втрати в елементах схеми відсутні. Частотні графіки опорів плечей дані в таблиці 6 для трьох випадків 1)С01 < С02 ; 2)С01 = С02; 3)С01 > С02



Таблиця 6



Нижче приведена схема дволанкового мостового фільтру



Рис.2.3



2.2. Методика проектування спеціального ЕРЕ

Послідовність розрахунку наступна:

1.Визначають параметри, які повинен мати спроектований ЕРЕ: смуга пропускання фільтру ( = fa – fв, середня частота настройки фільтру, опір навантаження Rн , мінімальне затухання на певній частоті;

2. Розраховують відносну смугу пропускання і відповідно їй обирають схему фільтру;

3. Обирають параметри С01, С02 та розраховують ;

4. Далі, відповідно до формул розраховують елементи фільтру

; (2.1)

; (2.2)

; (2.3)

; (2.4)

EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 (2.5)



5. Розраховують параметри кварцового резонатору:



довжина п’єзоелементів обчислюється по формулах:



x1 = (1338,5/f) п1 0,5, x2 = (2541/f) п2 0,5, (2.6)

де х1 і х2 – розрахункові значення ширини п’єзоелементу; п1 і п2 -цілі числа.

Значення п1 і п2 вибираються так, щоб величини х1 і х2 збігалися, тобто х1 рівнялося х2 , або було близьким за значенням, остаточно прийняте значення ширини п’єзоелементу:

x= x1 x1 = x2 x2 , (2.7)

де х1 і х2 – відхилення обраного значення ширини елемента від розрахункових значень:

х1 0,25*1338,5/f; х2 0,25*2541/f. (2.8)



Ширина п’єзоелементів визначається по формулі:

(2.9)

Частотний коефіцієнт п’єзоелементу розраховується по формулі:

(2.10)

де - частотний коефіцієнт п’єзоелементу нескінченно більших його розмірах (тобто зневажаємо контурними коливаннями), що береться рівним 1660 кГцмм; f-частота.

Товщина пьезоелементу визначається по формулі:

(2.11)

Розрахунок ведеться так само, як для пьезоелементів зрізу ух1/+35.

Програма, блок-схема та тестовий приклад розрахунку кварцового резонатору приведені у додатку 2,3,4 відповідно.

Програма, розроблена для розрахунку одно- та дволанкового мостового фільтру. Вона розраховує параметри самого фільтру і геометричні розміри прямокутного кварцового резонатору.

2.2 Функціональні та конструктивно-технологічні параметри кварцового резонатору



Кварцова сировина, використовувана промисловістю для виготовлення п’єзокварцевих пластин резонаторів по сортності ділиться на кілька груп.

1. Сорт Екстра. До цього сорту відносяться кристали, їхні уламки або галька з монообластю, тобто бездефектною ділянкою кристала кварцу, від 30% і вище при вазі не менш 1000 г. Сорт Екстра прирівнюється до оптичного кварцу.

2. Сорт унікальний А — кристали, їхні уламки або галька вагою понад 500 г, з монообластю від 15% і вище або 50% і вище при вазі не менш 300 г.

3. Сорт унікальний Б — кристали, їхні уламки або галька вагою 150 г і вище, з монообластю від 15% і вище або 10% при вазі 1000 г і більше.

4. 1-й сорт — кристали, їхні уламки або галька вагою від 100 г і більше, з монообластю 10% і вище.

5. 2-й сорт - кристали, їхні уламки або галька вагою понад 100 г, з монообластю 5%.

6. 3-й сорт, (маломірка). До цього сорту відносяться кристали кварцу, що мають хоча б одну природну грань і вагою від 30 до 100 г, а також що не мають природних граней вагою від 60 до 100 г, з монообластю 5% і вище.



Технологічний процес виготовлення кварцового резонатору можна розбити на такі процеси:

- орієнтація кристалу кварцу;

- розпилювання кварцу;

- шліфування та полірування кристалів кварцу;

- травлення кварцевих пластин ;

- металізація кварцевих пластин;

- настройка та зборка кварцевих пластин.



Технологічний процес виготовлення монолітних фільтрів показаний на мал.2.4. Він включає як технологічні операції, типові при виробництві кварцевих резонаторів (розділ сировини на блоки та заготовки кристалічних елементів, шліфовка, посадка на частоту, травлення) так і окремі операції планарної технології (напилення металів через маски, приварка токовідводів, герметизація методом лазерного зварювання, і т.п.).мал. 2.4







РК41.468821.001ПЗ



Арк.



Дата



Підпис



№ докум.



Арк.



Змн.



Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РК41.468821.001ПЗ



Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РК41.468821.001ПЗ



Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РК41.468821.001ПЗ



Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РК41.468821.001ПЗ



Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РК41.468821.001ПЗ



РК41.468821.001ПЗ



Арк.



Дата



Підпис



№ докум.



Арк.



Змн.