DE2832168C2 - Elektrisches Frequenzfilter - Google Patents

Description

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Flächen, die Ersatzselbstinduktivität in typischen Gren- Die Erfindung ist zwar in einem ausgedehnten Be-

zen in der Größenordnung von 3 zu verändern. reich von elektrischen Filtern praktisch verwendbar, be-

Beispielsweise ist in dem Fall eines Kristallschnittes sonders vorteilhaft ist sie jedoch in dem Fall von Filtern,

vom Typ A"der Wert des Selbstinduktionskoeffizienten die als Filter vom Typ Jaumann bezeichnet werden und

L für eine Fläche A von Elektroden in Abhängigkeit von 5 nach einer Übertragungsfunktion vom Typ Cauer-

der Frequenz Fdurch folgende Beziehung gegeben: Tschebyschef arbeiten. Diese Typen von Filtern haben

einen Aufbau, der auf den einer Vielzahl von Kristallen

1,8 zurückgeführt werden kann, die in mehreren parallelen

A ■ F* Schaltungszweigen enthalten sind, deren Enden mit Ein-

10 gangs- und Ausgangstransformatoren verbunden sind.

wobei A in Quadratzentimetern und F in Megahertz Die Schwierigkeit der Herstellung von manchen Kri-

gerechnet wird. stallen, die erforderlich sind, um gewisse Selbstindukti-

Die piezoelektrischen Kristalle bilden, wie es weiter vitätswerte zu schaffen, begrenzt üblicherweise die Leiunten beschrieben ist, die Resonanzelemente von elek- stungsfähigkeit dieser Filter. Die Erfindung, die diese trischen Frequenzfiltern, deren zunehmende Komplexi- 15 Schwierigkeiten beseitigt, gestattet deshalb, Filter, beität erfordert, daß die elektrischen Kenndaten dieser spielsweise vom Typ Cauer-Tschebyschef, mit sehr verKristalle zwischen weiten Grenzen gewählt werden. besserter Leistungsfähigkeit und zu geringeren Herstel-

Beispielsweise ist es in einem großen Teil ihres An- lungskosten zu erzielen. Vorteilhafte Weiterbildungen

wendungGgebietes oft erwünscht, daß die Durchlaßkur- der Erfindung sind in den Unteranspriichen angegeben,

ve der Filter an den Grenzen des durchgelassenen Fre- 20 Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden

quenzbandes Flanken aufweist, die der Vertikale näher- im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten

kommt Die Erzielung dieses Ergebnisses führt zu der Zeichnungen näher beschrieben. Es ζ vgt

Notwendigkeit, eine große Anzahl von Kristallen zu Fig. 1 ein bekanntes Filter vom Typ jfa-imann,

benutzen, die außerdem sehr unterschiedliche Ersatz- Fig.2 ein erfindungsgemäßes Filter vom Typ Jau-

selbstinduktivitäten in einem typischen Verhältnis in der 25 mann mit drei Kristallen,

Größenorndungvon 10aufweisen. die Fig.3 bis 5 Ausführungsvarianten von erfin-

Es ist oben bereits angegeben worden, daß insbeson- dungsg*?*näßen Filtern vom Typ Jaumann, und

dere die Selbstinduktivität eines Kristalls für eine gege- F i g. 6 eine andere Ausführungsform, die Kondensa-

bene Frequenz von gewissen Abmessungen des Kri- toren enthält

stalls und der leitenden Elektroden, die er trägt, abhän- 30 F i g. 1 zeigt ein bekanntes Filter vom Typ Jaumann.

gig ist Das verlangte hohe Verhältnis führt zu Größen- Es besteht aus einem Transformator T_x, der zwei mit-

ordnungen, die mit einer vernünftigen Konzeption we- einander gekoppelte Wicklungen B_x und Ri aufweist

nig kompatibel sind. Das zu filternde Wechselstromsignal wird durch Kopp-

Insbesondere für die niedrigen Werte des Koeffizien- lung dieses Transformators mit einer Eingangswicklung ten L ergeben sich daraus große Abmessungen der Kri- 35 P eingegeben, deren Klemmen 1 und 2 die Eingangsstalle mit Metallisierungsflächen, die praktisch nicht klemmen des durch das Filter dargestellten Vierpols realisierbar sind. Außerdem zeigen die Kristalle dann bilden,
nachteilige parasitäre Resonanzen. Dieser Transformator wird gewöhnlich als Diff erenti-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem al- oder Differenztransformator bezeichnet, und zwar

Filter der eingangs beschriebenen Art eine Anzahl von 40 aus Gründen, die weiter unten erläutert sinä

piezoelektrischen Kristallen benutzen zu können, deren Seine beiden Wicklungen B_x, Bi sind an einem ihrer

Ersatzselbstinduktivitäten analoge Größenordnungen Enden 5 miteinander verbunden. Das Potential dieses

haben oder auf niedrige Verhältnisse begrenzt sind. Encies wird durch ihre Verbindung mit einer Erde oder

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 Masse festgehalten,

angegebene, erfindungsgemäße Frequenzfilter gelöst 45 Die Schaltung des Filters enthält zwei Zwbige 6 und 7.

Durch eine zweckmäßige Wahl der Elemente der FiI- die an einem ihrer Enden mit den freien Enden der

ter nach der Erfindung ist es sogar möglich, die Vielzahl beiden Wicklungen des Differenztransformators ver-

der Kristalle in einem einzigen Typ zu realisieren, wobei bunden sind. In die Zweige 6 und 7 sind in Resonanz

allein die Wahl der Abmessungen, die die Resonanzfre- schwingende piezoelektrische Kristalle X_x, X₂ bzw. X3

quenz festlegt, unterschiedlich ist 50 eingefügt

Aus der DE-PS 25 00512 ist es an sich bereits be- Die beiden Zweige 6, 7 sind an ihrem anderen Ende

kannt, bei einer Filterschaltung die an bestimmten FiI- durch die gemeinsame Verbindung 8 zusammenge-

terelementen auftretenden Spannungen durch Trans- schlossen, die das Ausgangselement des Filters bildet

formatoren so zu transformieren, daß unerwünschte und mit der Ausgangsldsmme 3 verbunden ist, welche

Spannungsüberhöhungen vermieden werden. 55 ir>it dir Masseklemme 4 die Ausgangsklemmen 3 und 4

Die Erfindung macht im Prinzip von Transformatoren des Ausgangs S des Filteryierpols bildet Gebrauch, die den Kristallen zugeordnet sind, deren Ein solches Filter arbeitet folgendermaßen: wenn an Ersatzselbstinduktivitäten in dem Filter schwierig oder die Eingangsklemmen £ein elektrisches Wechselstromüberhaupt nicht realisierbar wären. signal zunehmender Frequenz angelegt wird, wird jeder

Durch eine zweckmäßige Wahl des Übersetzungsver- 60 Zweig eine in Abhängigkeit von der Frequenz des angehältnisses m ist es deshalb in jedem Fall möglich, einen legten Signals unterschiedliche Impedanzänderung aufKristall mit der Selbstinduktivität L durch einen Kristall weisen. Die beiden Zweige sind aber parallel geschaltet, mit der Selbstinduktivität L' zu ersetzen, und zwar so. Das Filter läßt nur diejenigen Frequenzen durch, die für daß diese Werte im wesentlichen durch folgende Bezie- die Impedanzen der beiden Zweige Werte entgegengehung verknüpft sind: 65 setzten Vorzeichens und unterschiedlicher Größe verursachen. Dagegen heben sich die Frequenzen, die die

J^^^ Gleichheit der Groben der Impedanzen der beiden

L Zweige festlegen, am Ausgang des Filters auf.

Deshalb ist die Bezeichnung »Differenztransformator« für den Eingangstransformator 7Ί 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 F i g. 1 dargestellte Filter nur drei Kristalle aufweist, was zu einem Durchlaßband führt, bei dem 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.

F i g. 2 zeigt ein Kristallfrequenzfilter nach der Erfindung vom selben Typ wie das von Fig. 1. Gemäß der Erfindung ist einer der Kristalle, nämlich der Kristall X\ von F i g. 1, der gemäß dem Stand der Technik eine äquivalente Selbstinduktivität L\ hätte haben müssen, die sehr schwierig realisierbar ist, durch einen Kristall X\ mit sehr leicht erzielbarer Selbstinduktivität L\ ersetzt worden, dem ein Impedanztransformator T2 mit dem gemeinsamen Übersetzungsverhältnis m zugeordnet ist. Die Impedanztransformation erfolgt dann, wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

-m²

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Durch zweckmäßige Wahl der Größenordnungen ist es auf diese Weise möglich, zwei Kristalle X\ und Xi mit gleicher Selbstinduktivität zu benutzen, die sich nur durch ihre Eigenfrequenz in ihrer Serienresonanz unterscheiden. Dadurch, daß dem Kristall X₃ ein Transformator mit passendem Übersetzungsverhältnis zugeordnet wird, können auch in dem Fall des Filters von F i g. 2 die drei Kristalle gleichgemacht werden, bis auf die Resonanzfrequenz. D»s garantiert einen besseren Betrieb der Gesamtanordnung des Filters, verbunden mit niedrigeren Herstellungskosten.

F i g. 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 Schwingnngsfrequenz, 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 steDt sich dann als ein einziger Spartransformator T₃ mit Zwischenanzapfungen 31,32,33 dar.

F i g. 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 Xi und X* der Enden der Zweige unterliegen nicht der Impedanztransformation, der die Kristalle ΧΊ und X'₃ 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 X\, X'₂. X'3. ΧΆ der für die Erfindung kennzeichnenden Impedanztransformation ausgesetzt sein.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungform des Filters nach der Erfindung, die aus der in F i g. 3 dargestellten abgeleitet ist. In dieser Ausführungsform wird der Ausganjjstransformator Γ? in den Resonanzzustand gebrach!, 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 Selektivität in Abhängigkeit von der Frequenz sowie eine höhere Ausgangsspannung aufgrund der Überspannung des abgestimmten Kreises. Obgleich es möglich ist, wie in F i g. 3 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 Ca, Cb, ■ ■ ■ Cp 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_A 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 ir sinem großen Wertebereich gewählt werden müssen, wobeidie 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ι 2 nung konstanten Wertes, die an den Eingangsklemmen Patentansprüche: anliegt, bewirkt an den Ausgangsklemmen das Auftreten einer Wechselspannung, deren Wert je nach der

1. Elektrische Frequenzfilter, das aus einer Viel- Frequenz veränderlich ist Das Filter hat deshalb einen zahl von parallel geschalteten piezoelektrischen Kri- 5 Durchlaßfaktor, der in Abhängigkeit von der Frequenz stallen besteht, wobei die beiden Eingangsklemmen, veränderlich ist und häufig in Form einer Durchlaßkurvon denen eine auf Masse liegt, an die Primärwick- ve dargestellt wird, bei der auf der Abszisse die Frelung eines Differentialtransformators angeschlossen quenz und auf der Ordinate das Verhältnis zwischen den sind, und wobei an die beiden Klemmen der Sekun- Werten der Spannungen am Eingang und am Ausgang därwicklung jeweils ein Schaltungszweig mit jeweils 10 des Filters aufgetragen ist. Es ist auf diese Weise mögeiner Vielzahl von piezoelektrischen Kristallen par- lieh, entweder nur ein Ende, d. h. das obere oder untere allel einpolig angeschlossen sind, deren anderer Pol Ende des Frequenzbandes oder einen bestimmten Teil jeweils galvanisch verbunden die eine Ausgangs- durchzulassen. Diese verschiedenen Möglichkeiten entklemme des Filters bildet, und sprechen Hochpaß- bzw. Bandpaßfiltern.

wobei die andere Ausgangsklemme und die Mittel- 15 In den zahlreichen Arten von bekannten Filtern wer-

anzapfung der Sekundärwicklung des Differential- ölen häufig abgestimmte Resonanzelemente benutzt, zu

transformators auf Masse liegen, denen entweder Kapazitäten oder Selbstinduktivitäten

dadurch gekennzeichnet, oder, für höhere Überspannungen, aus piezoelektri-

daß wenigstens einer (X'\) der piezoelektrischen sehen Kristallen bestehenden Resonatoren gehören.

Kristalle in einem der beiden Schaltungszweige (6,7) 20 Ein piezoelektrischer Kristall kann als das Äquivalent

Ober die IVgnärwicklung eines Transformators (T2) eines Serienresonanzkreises betrachtet werden, der aus

mit der einen Ausgangsklemme verbunden ist, wo- einer Reihenschaltung eines Kondensators und einer

bei die Sekundärwicklung dieses Transformators Selbstinduktionsspule besteht Diese Elemente, deren

(T2) zwischen der einen Ausgangsklemme und der Wirkung nur sichtbar gemacht werden kann, wenn der

anderen Ausgangsklemme bzw. Masse liegt, und 25 Kristall im Schwingungszustand ist, werden aus diesem

daß alle Kristalle gleiche Abmessungen aufweisen, Grund als dynamische Kapazität bzw. dynamische

mit Ausnahme der ihre Schvingungsfrequenz be- Selbstinduktivität bezeichnet

stimmenden Abmessung. Das Anlegen und das Entnehmen der elektrischen

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekerinzeich- Spannungen, die an gewissen Flächen von ihnen auftrenet, daß die jeweils einem Kristall zugeordneten 30 ten, welche einander parallel gegenüberliegen, erfolgt Transformatoren in Form eines Spartransformators mit Hilfe von metallischen Schichten, die auf diese Flä- (T3) angeordnet sind, bei dem die Verbindungen zu chen abgeschieden sind und deren Vorhandensein einen den einzelnen Kristallen und ?.~i der Ausgangsklem- weiteren Kondensator erzeugt, für den der Kristall das me an Zwischenanzapfungen abgenommen werden Dielektrikum bildet, dessen Einfluß auf den Resonator- und der Fußpunkt des Ttensff rmators auf Masse 35 betrieb des Kristalls im allgemeinen vernachlässigbar liegt ist

3. Fiitsr nach Anspruch i oder 2, dadurch gekenn- Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese piezoelektrizeichnet, daß an der Sekundärwicklung des Diffe- sehen Resonatoren aus den Ursprungskristallen entrentialtransformators (Tj) für jeden Kristall ein eige- sprechend den betreffenden Frequenzbändern zuzuner Abgriff vorgesehen ist und 40 schneiden. Für die Schnitte gibt es genormte Bezeichdaß die Wicklungsenden des Differentialtransforma- nungen, wie beispiesweise ^-Schnitt und A T-Schnitt
tors (T4) über die dort angeschlossenen Kristalle mit Für einen A T-Schnitt-Kristall mit gegebenen Abmes-Zwischenanzapfungen des Spartransformators (T₃) sungen legt eine Änderung seiner Dicke, gemessen entverbunden sind. sprechend dem Abstand der Flächen, auf die die Metall-

4. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- 45 schichten aufgebracht sind, die Schwingungsfrequenz net, daß die Vielzahl von Transformatoren auf die desselben fest.

beiden Schaltungszweige, (6, 7) gleichmäßig aufge- Für einen ^-Schnitt-Kristall, dessen Gesamtform oft

teilt sind. die eines Stabes ist, legt eine Änderung seiner Länge für

5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- eine bestimmte Breite in der Dehnungsmode die net, daß dem Spartransformator eine Serienschal- 5:1 Schwingungsfrequenz fest

tung von Kondensatoren, die in der Zahl der Zahl Darüber hinaus ist eine weitere charakteristische der Kristalle entsprechen, parallel geschaltet ist und Größe in Betracht zu ziehen, um einen Schwingkristall die zum Filterausgang weisenden Klemmen der Kri- zu definieren, und zwar die Größe seiner Ersatzselbstinstalle jeweils zwischen zwei Kondensatoren gelegt duktivität, deren Wahl die Möglichkeit von Umfangreisind, wobei die Klemme eines Kristalles des einen 55 chen praktischen Verwendungszwecken bedingt, wie es .Schaltungszweiges mit dem einen Wicklungsende weiter unten ausführlicher dargelegt ist
des Spartransformators und die Klemme eines Kri- In dem Fall eines AT-Schnitt-Kristalls ist die Selbstinstalls des anderen Schaltungszweiges über einen duktivität proportional zu der Dicke. In dem Fall des Kondensator mit Masse verbunden ist X-Schnittes legen die Querabmessungen zusätzlich zu

60 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

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektri- der Metallschichten festzulegen, die auf gewissen Flaschen Schaltungen, die in der Technik unter der Be- 65 chen desselben in der Funktion von Elektroden abgezeichnung Frequenzfilter bekannt sind. Diese Filter ver- schieden sind.

halten sich wie Vierpole mit zwei Eingangsklemmen und Bei einem Kristall mit festen Abmessungen gestattet

zwei Ausgangsklemmen. Eine elektrische Wechselspan- nämlich die Veränderung ihrer Ausdehnung auf seinen