FI61777C - Kompenseringskrets foer en kvartskristall - Google Patents

Description

ΓβΙ m»KUULUTUSjULKAISU sAnnn IBJ <11> UXLÄGGNINGSSKR1FT 61/// c ratentti my in-tty 10 09 1932 • (4S^tent meddelat ^ v ^ (51) Kv.ik.3/Int.a.3 H 03 H 9/00 SUO M I — FI N LAN D (21) P»t«nttlh»k«mu‘ - P«tnttn.eknlnf T600T0 (22) H«k«ml*pllvl — AroOknlnftdtf 13.01.76 ^ * (23) Alkupiivt—Glttl(h*t*d«g 13. 01.76 (41) Tullut |ulklt«k*l — Bllvlt offentllf 2l+ 07 76

Pttantti. ja rekirterlh.llltu. Nihavik,.^ ,. kuuL|utktuun Pvm._

Patent- och registerstyralsan ' Amoiun utlagd och utl.*krift*n pubitctrad 31.05.82 (32)(33)(31) Pyydetty «tuoikeu» —a«iird prkxitet 23.01.75 Ruotsi-Sverige(SE) 7500713-8 (Tl) Oy L M Ericsson Ab, 02U20 Jorvas, Suomi-Finland(FI) (72) Ivan Jaki, Norsborg, Ruotsi-Sverige(SE) (7^) Oy Kolster Ab (5^) Kompenseringskrets för en kvartskristall - Kvartsikristallin kompensointi virtapiiri Föreliggande uppfinning avser en kompenseringskrets för en kvartskri stall, som kan svänga p4 ett antal för densamma karakteristiska resonans-frekvenser. Närmare bestämt avser uppfinningen en kompenseringskrets för att i en kvartskristall ingäende i exempelvis ett bandspärrfilter öka dess impedans vid vissa fr&n kristallens grundfrekvens awikande frekvenser, vil-ka hos filtret ger upphov till icke önskvärda sparr- eller passband.

Det är sedan länge känt att använda piezoelektriska kristaller i elek-triska kopplingar, exempelvis filterkretsar, som frekvensbestämmande element. Detta beroende pä att kristallen vid sinä resonansfrekvenser uppvisar ett mycket högt Q,-värde (i storleksordningen 10-10°), varför filtret innehallan-de kristallen kan fäs att uppvisa en mycket brant övergäng mellan sitt sparr-omräde och sitt passomrdde. Ett problem d& kristaller utnyttjas som frekvensbestämmande element är att kristallen, förutom sin huvudresonans, uppvisar sk. biresonanser, dvs. svänger vid frekvenser, som icke är önskvärda vid dimensioneringen av den krets i vilken kristallen ing&r. Aver, vid dessa frekvenser uppvisar kristallen ett förhdllandevis högt Q,-värde, varför filt- 2 -j 7 '7 7 ret f&r icke önskvärda spärr- eller passband för helt andra frekvenser an de sora filtret är dimensionerat för.

Det är tidigare känt, jfr exempelvis ameriskanska patent 5,179»906, att för att undvika de ovan nämnda icke önskade spärrbanden hos ett kristall-bandspärrfilter anordna resonanskretsar fore och efter filtret, vilka är avstämda till kristallens biresonansfrekvenser, sä att signaler inom deras frekvensband spärras. Om exempelvis en parallellresonanskrets med resonans-frekvensen lika med en av kristallens biresonansfrekvenser anslutes till kristallen, kommer emellertid den resulterande kretsen att uppvisa tv4 re-sonansfrekvenser, av vilka den ena i allmänhet är skild frän kristallens huvudresonansfrekvens. Man har s&ledes erh&llit tvä icke önskade resonans-toppar pd bekostnad av att ha eliminerat en av kristallens biresonanstoppar.

Xndam&let med foreliggande uppfinning är att dstadkomraa en kompense-ringskrets for en kvartskrietall, företrädesvis ing&ende i ett filter, med vilken det är möjligt att nedbringa inverkan av dtminstone en av kristallens biresonanser.

Uppfinningen, vars kännetecken framgär av efterföljande patentkrav, skall närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar i vilka fig. 1 visar ett diagram over absoluta värdet av impedansen hos en kvartskristall som funktion av frekvensen, fig. 2 visar det ekvivalenta schemat för en kvartskristall för att närmare belysa kristallens egenskaper, fig. 5 visar en utföringsform av kompenseringskretsen enligt foreliggande uppfinning, fig. 4 visar en annan utföringsform av kompenseringskretsen enligt foreliggande uppfinning, och fig. 5 visar en bandspärrfilterlänk i vilken en kristall med en kom-penseringskrets enligt foreliggande uppfinning ing&r.

Diagrammet enligt fig. 1 äskddliggör absolutbeloppet av impedansen Zc hos en kvartskristall som funktion av frekvensen. Kristallen uppvisar en huvudresonans vid frekvensen ωΐ, dvs. ett utpräglat minimum för vilket impedansen Zc är rent resistiv och vilket för viss typ av kristaller antar värdena 10-200 ohm. Liknande minimivärden uppträder vid frekvenserna ω2 och ω3, vid vilka frekvenser de sk. biresonanserna för kristallen uppträder. Ytterligare biresonanser uppträder vid frekvenser större än mj men har ej visate i figuren. Vid dimensionering av exempelvis ett filter m&ste hänsyn tagas till biresonansernas värden, eftersom dessa ger upphov till icke ,. Önskade spärr- eller passband.

5 61777

Fig. 2 visar det ekvivalenta schemat för en kvartskristall. Schemat visar att kristallen kan representeras med en parallellkoppling av seriereso-nanskretsar, av vilka en har en resonansfrekvens lika med huvudresonansfrek-vensen och de övriga har serieresonansfrekvenser lika med biresonansfrek-venserna hos kristallen. Dessutom uppvisar kristallen en kapacitans Co. Om serieresonanskretsen Rcl, Cel, Lcl symboliserar den krets för vilken huvud-resonansfrekvensen utgör resonansfrekvens gäller att ωΐ = 1/VlcICci] ω2 = 1/ Vlc2Cc2, ω3 = 1/Vlc3Cc7! osv.

och kristallens resistans vid nämnda frekvenser blir säledes Rcl vid huvud-resonansfrekvensen, Rc2 vid biresonansfrekvensen ω2 osv.

Uppfinningen bygger pä den iakttagelsen att kristallen uppvisar ett högt Q-värde, inte enbart vid sin huvudresonansfrekvens ωΐ, utan ocksä vid sina biresonansfrekvenser ω2, ω3, osv. Pä grund av sitt höga Q-värde för dessa frekvenser erhälles en brant minskning av kristallimpedansen Zc. För att utjämna ett icke önskat minimum i impedansen Zc vid en eller flera av biresonansfrekvenserna, bör säledes Q-värdet för denna frekvens reduceras tili önskat värde. Enligt uppfinningstanken utföres en sädan reduktion av kristallens Q-värde genom att tili kristallen en kompenseringskrets i form av en tväpol anslutes, vars impedans har en reell och en imaginär del. Häri-genom införes en resistiv del som utanför den frekvens lika med resonans-frekvensen för den imaginära delen, verkar nedsättande pä Q-värdet hos kristallen.

Fig. 3 visar en utföringsform av kompenseringskretsen enligt före-liggande uppfinning. Kompenseringskretsen bestär av tväpolen Tl, vilken om-fattar serieresonanskretsen LI, Cl parallellkopplad med motständet Rl. Re-sonansfrekvensen hos serieresonanskretsen LI, Cl är vald lika med kristall-lens huvudresonansfrekvens. Härigenom är tväpolens impedans vid huvudresonansfrekvens en försumbar och kristallen är ostörd vid denna frekvens. För frekvenser utanför kristallens huvudresonansfrekvens fär tväpolens impedans ett bidrag frän reaktensern hos serieresonanskretsen LI, Cl och den resistiva delen av tväpolens impedans kommer att verka nedsättande pä kristallens god-hetstal vid frekvenser utanför huvudresonansfrekvensen. Impedansen Z1 for tväpolen kan tecknas Z1 = s—s- (A - jUfilCl), där A = (1 - cAl.Cl) A + ω Cl Rl

Godftetstalet Q för kristallen tillsammans med tväpolen Tl kan exempelvis för biresonansfrekvensen ω2 tecknas som 4 61777 = <*i2Iic2 + Im/Z1 ( ω2 ) /

Rc2 + Re/Zl(u>2)/

Vidare gäller att 2

Re/Zl/ * och Im/Zl/ = - där A = (l - uj2L1C1) och

B B

2 2 2 2 B * A + ω R1 Cl .

Godhetstalet för kristallen tilleammans med tväpolen Tl blir d&

q = u2Lc2 - lo2R1C1/B Rc2 + A2Rl/B

För att förenkla detta uttryck kan vissa approximationer göras. Eftersom ω2>ω1 * 1/ \/llCl, är uj22L1C1?7 1, dvs. A -gj22L1C1 och B^w24L12C12. Fak- torn io2Lcl är vidare ?? 2R1C1/B, eftersom siväl faktorn B som Lc2 är före- 2 2 hällandevis Stora tai. För faktorn A /B gäller vid frekvensen ω2 att ω2 R1C1 2 2 2 <^(w2£L1C1) , dvs. A '/B^l. Dessa approximationer ger att %(ω2) , Ho(ue).E..8

Rc2 + R1

Ett mer exakt uttryck pä godhetstalet är enligt beräkningarna ovan a(ul2) . -

Rc2 + A Rl/B

eftersom faktorn U)2Lc2 i de fiesta fall är mycket större än faktorn U2R1C1/B.

Fig. 4 visar en annan utföringsform av kompenseringskretsen enligt uppfinningen. Med K betecknas kristallen, vars frekvensberoende impedans Zc varierar enligt diagrammet enligt fig. 1. Parallellt med kristallen K är en tväpol T2 med impedansen Z2 ansluten, vilken bestär av resistansen R2 och parallellresonanskretsen L2, C2. Ytterligare tväpoler av samma struk-tur som tväpolen T2 kan anslutas parallellt med kristallen K. Induktaneen L2 och kapacitansen C2 är dimensionerade sä att resonanskretsen L2, C2 har resonans vid kristallens huvudresonansfrekvens ωΐ, dvs. ωΐ = 1/VL2C2? Vid denna frekvens är impedansen hos parallellresonanskretsen hög och kristallen är ostörd. Resistansen R2 har säledes vid huvudresonansfrekvens wl ingen inverkan p& kristallen. För frekvenser utanför frekvensen u>l kommer däremot iipi p. vt parallellresonanskretsens reaktans att vara lägre än vid huvudresonansfrek- 5 61777 veneen och resistansen hos motständet R2 kommer att inverka pä kristallen ooh pä sädant sätt att dees Q-värde utanför frekvensen ωΐ kommer att inverka pä kristallen och pä sädant sätt att dess Q-värde utanför frekvensen ωΐ minskas.

Utseendet av kompenseringskretsen enligt föreliggande uppfinning är ej begränsad tili en enkel tväpol omfattande en resonanskrets i serie eller parallellt med en resistans enligt fig. 3 och 4· Det är ocksä möjligt att, speciellt vid dimensionering av filterlänkar, kombinera de bäda tväpolerna sä att en kompenseringskrets i form av en serie-parallellkoppling erhälles.

Fig. 5 visar en prakfisk utföringsform av en bandspärrfilterlänk, i vilken en kompenseringskrets enligt uppfinningen ingär i form av en sädan serieparallellkombination. Filterlänken är därvid dimensionerad sä att den dämpar frekvensen 60 kHz och ger en utjämning av kristallimpedansen vid bi-resonansen 3»60 = 180 kHz. I länken ingär en kristall av typ RTM &52 (Quarz Cheramic), vilken symboliserats med parallellkopplingen av kondensatorn Co ooh en serieresonanskrets Lk, Ck, jfr ekvivalenta schemat enligt fig. 2.

Tili kristallen K är i serie en första tväpol T2 av sauma utseende som enligt fig. 4 ansluten. Vidare är parallellt med kristallen en andra tväpol Tl ansluten av samma utseende som kretsen enligt fig. 3· Av praktiska skäl har i kopplingen enligt fig. 5 motständet Rl enligt fig. 3 sammanförts med motständet R2 i tväpolen enligt fig. 4 tili ett motständ R12. De i filterlänken ingäende komponenterna har följande värden

Co = 34 pF, Lk = 25,000 mH, Ck = 0,28178 pF

Dessa värden är erhällna genom mätning pä kristallen, vid biresonansen 180 kHz. Beräkningar ger följande värden

Cl = 788,9306 pF C2 = 581,504 pF

LI = 12,3123 mH L2 = 12,1 mH R12 = 8 kohm.

Beräkningarna av kristallens godhetstal vid tredje och feint e över-tonerna, dvs. vid frekvenserna 180 kHz och 300 kHz ger som resultat att Q-värdet minskats med en faktor 1000 vid 180 kHz och med en faktor 2000 vid 300 kHz. En betydande minskning av kristallens godhetstal vid de icke önskade övertonerna har säledeB erhällits och därigenom en avsevärd minsk— ning av biresonansernas inverkan i filterlänken. cjd·' V. v*\ I de ovan beskrivna utföringsformerna av kompenseringskretsen har 6 61777 denna dimensionerats s&, att en minskning av kristallens godhetstal vid biresonansfrekvenserna erhälles, medan godhetstalet vid kristallens grund-frekvens är oförändrat. Det är emellertid ocksä möjligt att istället dimensio-nera kompenseringskretsen säf att kristallens godhetstal blir oförändrat vid nägon av biresonansfrekvenserna, medan dess godhetstal vid grundfrekveneen ooh övriga biresonansfrekvenser minskas.

Förhällandet mellan kristallens godhetstal och godhetstalet erhället medelst kompenseringskretsen kan variera inom mycket vid omr&den, frän värden nägot Övre 1 upp tili flera tueen, beroende pä kristallens frekvens-egenskaper och de frekvensomräden för vilka kompensering önskas.

.»· ·\ 7 617 7 7

Patentkrav: 1. Kompenseringskrets för att ge ökat bidrag tili impedansvärdet hos en kvartskristall vid vissa frän en bestämd resonansfrekvens (ωΐ) hos kristallen avvikande frekvenser, kännetecknad därav, att den omfattar en tväpol (T1,T2), som ätminstone vid en (co2) av de frän nämnda bestämda resonansfrekvens (ωΐ) avvikande frekvenserna (ω2,ω3·..) har ett impedansvärde (Zl, fig. 3* Z2, fig. 4) som väsentligen skiljer sig frän impedansvärdet vid övriga frekvenser ooh är ansluten tili kvartskristallen (K) pä sädant sätt att vid en (ω2) av nämnda frekvenser, impedansen (Z' fig.

3, Z" fig. 4) hos den av nämnda tväpol (Tl fig. 3» T2 fig. 4) och kvartskristall (K) gemensamt bildade kretsen är väsentligt högre än kristallen ensam, varvid nämnda tväpol (Tl fig. 3, T2 fig. 4) har ett resistanevärde (Rl fig. 3, R2 fig. 4), som är valt sä att det gemensamma Q-värdet för kristallen (k) och tväpolen (Tl fig. 3» T2 fig. 4) är minst 1, 2 gänger mindre vid den (ω2) av de frän nämnda resonansfrekvens (ωΐ) avvikande frekvenserna (ω3) än kvartskristallens Q-värde vid nämnda bestämda resonansfrekvens (ωΐ).

2. Kompenseringskrets enligt patentkravet 1, kännetecknad därav, att nämnda tväpol (Tl fig. 3* T2 fig. 4) bestär av ätminstone en im-pedans (Zl respektive Z2), vilken uppvisar säväl en resistiv som en reaktiv del (Rl respektive LI, Cl fig. 3» R2 respektive L2, C2 fig. 4), varvid den reaktiva delen bildar en resonanskrets, vars resonansfrekvens är vald i huvudsak lika med nämnda bestämda resonansfrekvens (ωΐ) och sä att den resist iva delens inverkan vid denna frekvens är försumbar, men att vid ätminsto-ne en frän den bestämda resonansfrekvensen avvikande frekvens (u)2), säväl den reaktiva som den resistiva delen inverkar pä kristallens impedans (Zc).

3· Kompenseringskrets enligt patentkravet 2, kannet ecknad därav, att nämnda bestämda resonansfrekvens utgörs av kristallens huvudre-sonansfrekvens (ωΐ) samt att de frän nämnda bestämda resonansfrekvens avvikande frekvenserna utgörs av kristallens biresonansfrekvenser (ω2, ω3 osv.).

4. Kompenseringskrets enligt patentkravet 2, kännetecknad därav, att nämnda bestämda resonansfrekvens utgörs av en av kristallens biresonansfrekvenser (exempelvis ω2) och att de övriga frän nämnda bestämda resonansfrekvens avvikande frekvenserna utgörs av kristallens huvudresonans-i( ,· frekvens (ωΐ) och dess övriga biresonansfrekvenser (ω3 osv).

8 61777 5· Kompenseringskrets enligt patentkravet 2, kännetecknad därav, att nämnda tväpol (Tl fig. 3* TP fig. 4) omfattar en parallellkopp-ling av en serieresonanskrets (LI, Cl) med en resistans (Rl), vilken ar ansluten i serie med kristallen (k).

6. Kompenseringskrets enligt patentkravet 2, kännetecknad därav, att nämnda tvdpol omfattar en seriekoppling av en parallell-resonanskrets (L2, C2) med en resistans (R2), vilken är ansluten i parallell med kristallen (K).

[if \