Интегральные пьезоэлектрические фильтры

Принцип действия интегральных пьезоэлектрических фильтров основан на локализации энергии в объеме пластины кварца или пьезокерами-ки либо на распространении поверхностной акустической волны вдоль нее.

В первом случае происходит «захват энергии» упругих колебаний по толщине пластины в результате преобразования электрических колебаний в механические и обратно. Металлизированные обкладки (электроды) пласти-ны вследствие волнового характера распространения колебаний представля-ют собой отдельные резонаторы. Амплитуда колебаний в фильтре максимальна в подэлектродной области и затухает по экспоненте вне её. Это позволяет разместить на одной пластине несколько изолированных друг от друга резонатоорв (многорезонаторный фильтр) и использовать акустичес-кую связь для создания необходимого коэффициента связи между ними, а следовательно, и требуемых полосы пропускания и коэффициента прямоуго-льности. Такие фильтры называют фильтрами упругих волн.

Во втором случае переменное по времени электрическое поле под каж-дым штырем-электродом гребенчатого преобразователя вызывает упругую деформацию, что приводит к распространению вблизи поверхности пласти-ны поверхностной акустической волны (ПАВ). С помощью штырей-электродов различной формы можно преобразовать сигналы, а также селек- тировать их. Малая скорость распространения ПАВ (на пять порядков мень-ше скорости распространения электромагнитных волн) позволяет конструировать фильтры сверхминиатюрного исполнения (фильтры ПАВ).

Основанием фильтров служит кварц, пьезокерамика или пьезокрис-таллы – ниобат и танталат лития, частотные постоянные k_m которых при сдвиговых волнах соответственно равны 1,66; 1,9; 2,1 МГц·мм. Толщину пла-стин для фильтров упругих волн выбирают из условия заданной частоты и возможностей технологии изготовления. Электрические характеристики фильтров ПАВ не зависят от толщины пластин, обычно равной 2 – 3 мм.

Центральная частота (МГц) фильтра упругих волн f_ОР k_m / h, где h – толщина пластины, мм. Поэтому верхний предел рабочей частоты определя-ется максимальной, приемлимой для производства толщиной пластины, а ни-жний – допустимыми размерами, совместимыми с размерами ИС. Так, квар-цевая пластина толщиной 50 мкм при f_ОР 2 МГц имеет максимальную частоту 40 МГц. Добротность интегральных кварчевых фильтров 10³ – 10⁴, стабильность частоты 5·10^-7 1/°С, полоса пропускания (Гц) при чисто актив-ной нагрузке Δ f_max = 3,6 f_ОР · 10^-3 / m² (где m - номер гармоники сигнала). Обычно полоса пропускания составляет десятые – сотые доли процента.

Добротность интегральных пьезокерамических фильтров в десятки раз ниже, чем у кварцевых, стабильность равна 5·10^-5 1/°С, и они более широкополосны (единицы процентов).

Электрические параметры фильтров ПАВ определяют по следующим формулам f_ОР = v / λ; Q = N, где – скорость, м/с, распространения ПАВ, м; (для пьезокристаллов она составляет (3÷4) ·10³ м/с); λ – длина волны ПАВ, м; N – число пар-штырей электродов в гребенчатом преобразователе фильтра. Верхняя частота ПАВ-фильтра может составлять единицы ГГц, однако они обычно применяются лишь в каскадах усилителей промежуточной частоты (УПЧ) на частотах не более 200 МГц, так как использование их в усилителях радиочастоты (УРЧ) нерационально из-за плохой чувствительности к малым сигналам. Нижняя частота определяется ограничениями по площади фильтра и составляет единицы – десятки мегагерц. Добротность фильтров ПАВ – не более 1000, а полоса пропускания – единицы – десятки процентов.

Дата добавления: 2014-01-20