DE2832168A1

DE2832168A1 - Elektrisches frequenzfilter

Info

Publication number: DE2832168A1
Application number: DE19782832168
Authority: DE
Inventors: Paul Bouchou; Claude Nigoghossian; Guy Sillioc
Original assignee: CEPE; Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
Current assignee: CEPE; Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1979-02-01
Also published as: CA1112727A; GB2001498A; JPS5459860A; CH624802A5; US4205284A; GB2001498B; FR2398413B1; FR2398413A1; DE2832168C2; NL7807714A

Description

Elektrisches Frequenzfilter

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Schaltungen, die in der Technik unter der Bezeichnung Frequenzfilter bekannt sind. Diese Filter verhalten sich wie Yierpole mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen. Eine elektrische Wechselspannung konstanten Wertes, die aa. den Eingangsklemmen anliegt, bewirkt an den Ausgangsklemmen das Auftreten einer Wechselspannung, deren Wert je nach der Frequenz veränderlich ist. Das Filter hat deshalb einen Durchlaßfaktor, der in Abhängigkeit von der Frequenz veränderlich ist und häufig in Form einer Durchlaßkurve dargestellt wird, bei der auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate das Verhältnis zwischen den Werten der Spannungen am Eingang und am Ausgang des Filters aufgetragen ist. Es ist auf diese Weise möglich, entweder nur ein Ende, d.h. das obere oder untere Ende des Frequenzbandes oder einen bestimmten Teil durchzulassen. Diese verschiedenen Möglichkeiten entsprechen Hochpaß- bzw. Tiefpaß- bzw. Bandpaßfiltern.

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In den zahlreichen Arten von bekannten Filtern werden häufig abgestimmte Resonanzelemente benutzt, zu denen entweder Kapazitäten oder Selbstinduktivitäten oder, für höhere Überspannungen, aus piezoelektrischen Kristallen bestehende Resonatoren gehören.

Ein piezoelektrischer Kristall kann als das Äquivalent eines Serienresonanzkreises betrachtet werden, der aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und einer Selbstinduktionsspule besteht. Diese Elemente, deren Wirkung nur sichtbar gemacht werden kann, wenn der Kristall im Schwingungszustand ist, werden aus diesem Grund als dynamische Kapazität bzw. dynamische Selbstinduktivität bezeichnet.

Das Anlegen und das Entnehmen der elektrischen Spannungen, die an gewissen Flächen von ihnen auftreten, welche einander parallel gegenüberliegen, erfolgt mit Hilfe von metallischen Schichten, die auf diese Flächen abgeschieden sind und deren Vorhandensein einen weiteren Kondensator erzeugt, für den der Kristall das Dielektrikum bildet, dessen Einfluß auf den Resonatorbetrieb des Kristalls im allgemeinen vernachlässigbar ist.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese piezoelektrischen Resonatoren aus den Ursprungskristallen entsprechend den betreffenden Frequenzbändern zuzuschneiden. Für die Schnitte gibt es genormte Bezeichnungen, wie beispielsweise X-Schnitt und AT-Schnitt.

Für einen AT-Schnitt-Kristall mit gegebenen Abmessungen legt eine Änderung seiner Dicke, gemessen entsprechend dem Abstand der Flächen, auf die die Metallschichten aufgebracht sind, die Schwingungsfrequenz desselben fest.

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Für einen X-Schnitt-Kristall, dessen Gesamtform oft die eines Stabes ist, legt eine Änderung seiner Länge für eine bestimmte Breite in der Dehnungsmode die Schwingungsfrequenz fest.

Darüber hinaus ist eine weitere charakteristische Größe in Betracht zu ziehen, um einen Schwingkristall zu definieren, und zwar die Größe seiner Ersatzselbstinduktivität, deren Wahl die Möglichkeit von umfangreichen praktischen Verwendungszwecken bedingt, wie os weiter unten ausführlicher dargelegt ist.

In dem Fall eines AT-Schnitt-Kristalls ist die Selbstinduktivität proportional zu der Dicke. In dem Fall des X-Schnittes legen die Querabmessungen zusätzlich zu der Frequenz den Wert seiner Selbstinduktivität fest.

Eine zusätzliche Maßnahme zum Verändern der Selbstinduktivität besteht für einen gegebenen Kristall jedoch darin, in bestimmter Weise den Flächeninhalt der Metallschichten festzulegen, die auf gewissen Flächen desselben in der Funktion von Elektroden abgeschieden sind.

Bei einem Kristall mit festen Abmessungen gestattet nämlich die Veränderung ihrer Ausdehnung auf seinen Flächen, die Ersatzselbstinduktivität in typischen Grenzen in der Größenordnung von 3 zu verändern.

Beispielsweise ist in dem Fall eines Kristallschnittes vom Typ X der Wert des Selbstinduktionskoeffizienten L für eine Fläche A von Elektroden in Abhängigkeit von der Frequenz F durch folgende Beziehung gegeben:

A . F³

wobei A in Quadrat Zentimetern und F in Megahertz gerechnet

wird. _{Λ α}

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Die piezoelektrischen Kristalle bilden, wie es weiter unten beschrieben ist, die Resonanzelemente von elektrischen Frequenzfiltern, deren zunehmende Komplexität erfordert, daß die elektrischen Kenndaten dieser Kristalle zwischen weiten Grenzen gewählt werden.

Beispielsweise ist es in einem großen Teil ihres Anwendungsgebietes oft erwünscht, daß die Durchlaßkurve der Filter an den Grenzen des durchgelassenen Frequenzbandes Flanken aufweist, die der Vertikale näherkommen. Die Erzielung dieses Ergebnisses führt zu der Notwendigkeit, eine große Anzahl von Kristallen zu benutzen, die außerdem sehr unterschiedliche Ersataselbstinduktivitäten in einem typischen Verhältnis in der Größenordnung von 10 aufweisen.

Es ist oben bereits angegeben worden, daß insbesondere die Selbstinduktivität eines Kristalls für eine gegebene Frequenz von gewissen Abmessungen des Kristalls und der leitenden Elektroden, die er trägt, abhängig ist. Das verlangte hohe Verhältnis führt zu Größenordnungen, die mit einer vernünftigen Konzeption wenig kompatibel sind.

Insbesondere für die niedrigen Werte des Koeffizienten L ergeben sich daraus große Abmessungen der Kristalle mit Metallisierungsflächen, die praktisch nicht realisierbar sind. Außerdem zeigen die Kristalle dann nachteilige parasitäre Resonanzen·

Die elektrischen Filter nach der Erfindung weisen diese Nachteile nicht auf. Bei ihnen wird eine Vielzahl von piezoelektrischen Kristallen benutzt, deren Ersatzselbstinduktivitäten analoge Größenordnungen haben oder auf niedrige Verhältnisse begrenzt sind.

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Durch eine zweckmäßige Wahl der Elemente der Filter nach der Erfindung ist es sogar möglich, die Vielzahl der Kristalle in einem einzigen Typ zu realisieren, wobei allein die Wahl der Abmessungen, die die Resonanzfrequenz festlegt, unterschiedlich ist. Die Kosten der Herstellung auf Maschinen werden auf diese Weise stark gesenkt.

Die Erfindung macht im Prinzip von Transformatoren Gebrauch, die den Kristallen zugeordnet sind, deren Ersatζselbstinduktivitäten in dem Filter schwierig oder überhaupt nicht realisierbar wären.

Durch eine zweckmäßige Wahl des Übersetzungsverhältnisses m ist es deshalb in jedem Fall möglich, einen Kristall mit der Selbstinduktivität L durch einen Kristall mit der Selbstinduktivität L¹ zu ersetzen, und zwar so, daß diese Werte im wesentlichen durch folgende Beziehung verknüpft sind:

L¹ m²
"TT ⁼

Die Erfindung ist zwar in einem ausgedehnten Bereich von elektrischen Filtern praktisch verwendbar, besonders vorteilhaft ist sie jedoch in dem Fall von Filtern, die als Filter vom Typ Jaumann bezeichnet werden und nach einer Übertragungsfunktion vom Typ Oauer-Tschebischef arbeiten. Diese Typen von Filtern haben einen Aufbau, der auf den einer Vielzahl von Kristallen zurückgeführt werden kann, die in mehreren parallelen Schaltungszweigen enthalten sind, deren Enden mit Eingangs- und Ausgangstransformatoren verbunden sind.

Die Schwierigkeit der Herstellung von manchen Kristallen, die erforderlich sind, um gewisse Selbstinduktivitätswerte zu schaffen, begrenzt üblicherweise die Leistungsfähigkeit dieser Filter. Die Erfindung, die diese Schwierigkeiten

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beseitigt, gestattet deshalb, Filter, beispielsweise vom Typ Cauer-Tschebischef, mit sehr verbesserter Leistungsfähigkeit und zu geringeren Herstellungskosten zu erzielen.

Die Erfindung bezieht sich, genauer gesagt, auf ein elektrisches Frequenzfilter mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen zuv Eingeben bzw. Entnehmen einer elektrischen Wechselspannung, deren Frequenz in gegebenen Bändern liegt, wobei die Eingangsklemmen einen Differenztransformator speisen, dessen beide Wicklungen ein gemeinsames Ende haben, das auf einem festen Potential gehalten wird, während ihre beiden getrennten Teile in zwei Zweigen mit zwei Vielzahlen von parallel geschalteten piezoelektrischen Kristallen verbunden sind, wobei die beiden Zweige über Anschlußeinrichtungen mit den beiden Ausgangsklemmen verbunden sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens einer der piezoelektrischen Kristalle über einen Transformator in einen der Zweige eingefügt ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Filter vom Typ Jaumann,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Filter vom Typ

Jaumann mit drei Kristallen,

die Fig. 3 bis 5 Ausführungsvarianten von erfindungsgemäßen Filtern vom Typ Jaumann, und

Fig. 6 eine andere Ausführungsform, die Kon

densatoren enthält.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Filter vom Typ Jaumann.

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Es besteht aus einem Transformator T^, der zwei miteinander gekoppelte Wicklungen B,, und B₂ aufweist. Das zu filternde Wechselstromsignal wird durch Kopplung dieses Transformators mit einer Eingangswicklung P eingegeben, deren Klemmen 1 und 2 die Eingangsklemmen des durch das Filter dargestellten Vierpols bilden.

Dieser Transformator wird gewöhnlich als Differential- oder Differenztransformator bezeichnet, und zwar aus Gründen, die weiter unten erläutert sind.

Seine beiden Wicklungen B^, B₂ sind an einem ihrer Enden 5 miteinander verbunden. Das Potential dieses Endes wird durch ihre Verbindung mit einer Erde oder Masse festgehalten.

Die Schaltung des Filters enthält zwei Zweige 6 und 7» die an einem ihrer Enden mit den freien Enden der beiden Wicklungen des Differenztransformators verbunden sind. In die Zweige 6 und 7 sind in Resonanz schwingende piezoelektrische Kristalle X^, X₂ bzw. X, eingefügt.

Die beiden Zweige 6, 7 sind an ihrem anderen Ende durch die gemeinsame Verbindung 8 zusammengeschlossen, die das Ausgangselement des Filters bildet und mit der Ausgangsklemme 5 verbunden ist, welche mit der Masseklemme 4 die Ausgangsklemmen 3 und 4 des Ausgangs S des Filtervierpols bildet.

Ein solches Filter arbeitet folgendermaßen: wenn an die Eingangsklemmen E ein elektrisches Wechselstromsignal zunehmender Frequenz angelegt wird, wird jeder Zweig eine in Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten Signals unterschiedliche Impedanzänderung aufweisen. Die beiden Zweige sind aber parallel geschaltet. Das Filter läßt nur diejenigen Frequenzen durch, die für die Impedanzen der beiden

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Zweige Werte entgegengesetzten Vorzeichens und unterschiedlicher Größe verursachen. Dagegen heben sich die Frequenzen, die die Gleichheit der Größen der Impedanzen der beiden Zweige festlegen, am Ausgang des Filters auf.

Deshalb ist die Bezeichnung "Differenztransformator"für den Eingangstransformator T^₁ gerechtfertigt, der tatsächlich die Aufgabe hat, die Ausnutzung von Signaldifferenzen in den beiden Zweigen des Filters zu gestatten.

Es sei angemerkt, daß sich zwar die Beschreibung auf den Fall eines Filters vom Typ Jaumann bezieht, daß die Erfindung jedoch ein viel breiteres Anwendungsgebiet hat, denn die meisten elektrischen Filter, die auf dem betreffenden technischen Gebiet bekannt sind, insbesondere die "Filter in Brückenschaltung", können in äquivalente Filter vom Typ Jaumann umgewandelt werden. Es sei außerdem angemerkt, daß das in Fig. 1 dargestellte Filter nur drei Kristalle aufweist, was zu einem Durchlaßband führt, dessen die Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz darstellende Kurve seitliche Flanken aufweist, die von der Vertikalen beträchtlich weit entfernt sind. Zur Erzielung von steileren Flanken bietet es sich an, die Filter in Kaskade zu vervielfachen, mit allen Nachteilen an Komplikationen und Kosten, die sich daraus ergeben, oder die Zweige und die Kristalle eines Filters vom Typ Jaumann mit sehr unterschiedlichen Selbstinduktivitätswerten, die schwierig, wenn nicht gar unmöglich realisierbar sind, zu vervielfachen. Es ist davon auszugehen, daß im allgemeinen Fall ein solches Filter mit sechs Quarzen eine praktische Grenze bildet.

Fig. 2 zeigt ein Kristallfrequenzfilter nach der Erfindung vom selben Typ wie das von Fig. 1. Gemäß der Erfindung ist

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einer der Kristalle, nämlich der Kristall X₁ von Pig. 1, der gemäß dem Stand der Technik eine äquivalente Selbstinduktivität L₁ hätte haben müssen, die sehr schwierig realisierbar ist, durch einen Kristall X ¹^ mit sehr leicht erzielbarer Selbstinduktivität L¹^ ersetzt worden, dem ein Impedanztransformator T₂ ^mi^ d-em gemeinsamen Übersetzungsverhältnis m zugeordnet ist. Die Impedanztransformation erfolgt dann, wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

LV^ ₌ m²

^L1

Durch zweckmäßige Wahl der Größenordnungen ist es auf diese Weise möglich, zwei Kristalle X¹^ und X₂ mit gleicher Selbstinduktivität zu benutzen, die sich nur durch ihre Eigenfrequenz in ihrer Serienresonanz unterscheiden. Dadurch, daß dem Kristall X* ein Transformator mit passendem Übersetzungsverhältnis zugeordnet wird, können auch in dem Fall des Filters von Fig. 2 die drei Kristalle gleichgemacht werden, bis auf die Resonanzfrequenz. Das garantiert einen besseren Betrieb der Gesamtanordnung des Filters, verbunden mit niedrigeren Herstellungskosten.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Filters nach der Erfindung, das insgesamt sieben Kristalle enthält, von denen drei in einem Zweig und vier in dem anderen Zweig liegen, wobei alle piezoelektrischen Kristalle, bis auf ihre Schwingungsfrequenz, gleich sind und eine dynamische Selbstinduktivität haben, deren Impedanz für einen zweckmäßigen Betrieb des Filters durch mehrere Anpassungstransformatoren auf einen gewünschten Wert gebracht wird, die in der bequemen Form von Wicklungen dargestellt sind, welche zu einem Spartransformator miteinander verbunden sind. Die Vielzahl der Transformatoren stellt sich dann als ein einziger Spartransformator T^ mit Zwischenanzapfungen 31, 32, 33 dar.

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Fig. 4- zeigt eine zweite Variante des Filters nach der Erfindung, in der die Impedanztransformatoren, die den Kristallen zugeordnet und für die Erfindung kennzeichnend sind, Teil des Differenztransformators sind, der zu den elektrischen Filtern vom Typ Jaumann gehört.

Der Differenztransformator T^ erfüllt deshalb zwei Funktionen und seine Wicklungen müssen so ausgebildet sein, daß er gleichzeitig die entsprechenden elektrischen Kenndaten nach den im Rahmen fachmännischen Könnens liegenden Berechnungsregeln, die infolgedessen hier nicht beschrieben werden, erhält. Die Kristalle X>] und X^. der Enden der Zweige unterliegen nicht der Impedanztransformation, der die Kristalle X*2 und X¹, unterliegen.

Fig. 5 zeigt eine dritte Variante des Filters nach der Erfindung. In dieser Variante sind die Differenz- und Impedanztransformationsfunktionen auf die Wicklungen der Eingangs- und Ausgangstransformatoren verteilt worden, was dem Aufbau des Filters eine größere Vielseitigkeit hinsichtlich der Wahl der Selbstinduktivitäten der schwingenden Kristalle gibt.

In diesem Fall können alle Kristalle X¹^₁, X'₂, X¹^, X¹^ der für die Erfindung kennzeichnenden Impedanztransformation ausgesetzt sein.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform des Filters nach der Erfindung, die aus der in Fig. 3 dargestellten abgeleitet ist. In dieser Ausführungsform wird der Ausgangstransformator T^ in den Resonanzzustand gebracht, indem seine Klemmen mit einer Kapazität passenden Wertes verbunden werden, damit sie mit seiner Eigeninduktivität einen abgestimmten Kreis bildet. Das Filter hat dann eine bessere

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Selektivität in Abhängigkeit von der Frequenz sowie eine höhere Aus gangs spannung aufgrund der Überspannung des abgestimmten Kreises. Obgleich es möglich ist, wie in Fig. die Kristalle mit dem Transformator über Zwischenanzapfungen zu verbinden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, insbesondere aus Fertigungskostengründen, die Abnahme von Zwischenspannungen an einem Spannungsteiler aus Kondensatoren C^, C_B, ... Cj) vorzunehmen, wodurch die Schwierigkeiten der Herstellung eines Ausgangstransformators mit Anzapfungen vermieden werden. Die genaue Einstellung der Teilungsverhältnisse kann leicht erreicht werden, indem gewissen Kondensatoren eine Möglichkeit zur Veränderung ihrer Kapazität gegeben wird, wie es bei dem Kondensator C dargestellt ist.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall eines elektrischen Frequenzfilters vom Typ Jaumann. Es sei jedoch angemerkt, daß die Lehre der Erfindung bei jedem anderen Typ von Filter zur Anwendung kommen kann, das mehrere piezoelektrische Kristalle enthält, deren eigentliche Selbstinduktivitäten in einem großen Wertebereich gewählt werden müssen, wobei die Lehre der Erfindung bei diesen Filtern bedeutet, daß Kristalle miteinander nahekommender Selbstinduktivität, typischerweise in einem maximalen Verhältnis von 3, in Verbindung mit Transformatorelementen für die äquivalente Impedanz dieser piezoelektrischen Kristalle benutzt werden.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-lng. Dipl.-lng. Dipl.-Chem. G. Leiser E. Prinz Dr. G. Hauser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60

21. Juli 1978

GOMPAGNIE D'ELECTRONIQUE ET DE
PIEZO-ELECTRICITE - C.E.P.E.
101, rue du President Roosevelt
78 SARTROUVILLE / Frankreich

Unser Zeichen: C 3191

Patentansprüche :

1J Elektrisches Frequenzfilter mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen zum Eingeben "bzw. Entnehmen einer elektrischen Wechselspannung, deren Frequenz in gegebenen Bändern liegt, wobei die Eingangsklemmen einen Differenztransformator speisen, dessen beide Wicklungen ein gemeinsames Ende haben, das auf einem festen Potential gehalten wird, während ihre beiden getrennten Teile in zwei Zweigen mit zwei Vielzahlen von piezoelektrischen Kristallen verbunden sind, die parallel geschaltet sind, wobei die beiden Zweige durch Anschlußeinrichtungen mit den beiden Ausgangsklemmen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer (X¹^) der piezoelektrischen Kristalle (X'^, X₂, X,) in einen der beiden Zweige (6, 7) über einen Transformator (T₂) eingefügt ist.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Transformatoren, die der Vielzahl von gewissen der piezoelektrischen Kristalle entspricht, eine einzige Transformatorwicklung mit Zwischenanzapfungen bildet, von denen jede mit einem der Kristalle verbunden ist.
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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ORIGINAL INSPECTED

daß der einzige Transformator Teil eines Eingangsdifferenztransformators ist.
4-, Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Transformatoren in zwei Teile unterteilt ist, die zwischen den Eingangsdifferenztransformator und den Einrichtungen für den Anschluß an die Ausgangsklemmen verteilt sind.
5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für den Anschluß an die beiden Ausgangsklemmen mehrere Kondensatoren umfassen, die in Reihe mit den Klemmen verbunden sind.
6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens gewisse der piezoelektrischen Kristalle, mit Ausnahme desjenigen, der ihre Schwingungsfrequenz festlegt, alle gleiche Abmessungen haben.
7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da£ wenigstens gewisse der piezoelektrischen Kristalle Selbstinduktivitäten haben, deren Größen in einem Verhältnis liegen, das höchstens gleich 3 ist.
8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß es ein Filter vom Typ Jaumann ist.

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