NO141677B - Kompenseringskrets for en kvartskrystall - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrorer en kompenserings.krets for en kvartskrystall som kan svinge på et antall resonansfrekvenser som er karakteristiske for denne. Nærmere bestemt vedrorer oppfinnelsen en kompenseringskrets for i en kvartskrystall som inngår f.eks. i et båndsperrefilter å oke dens impedans ved visse frekvenser som avviker fra krystallens grunnfrekvens, hvilke frekvenser ved filteret gir opphav til ikke onskelige sperre- eller passbånd.

Det har lenge vært kjent å anvende piezoelektriske krystaller i elektriske koblinger, f.eks. filterkretser, som frekvensbestem-mende element. Dette på grunn av at krystallen ved sine resonans-9 4 frekvenser oppviser en meget hoy Q-verdi (i storrelsesorden 10 - IO6), og av denne grunn kan filteret som inneholder krystallen fås til å oppvise en meget steil overgang mellom sitt sperreområde og sitt passområde. Et problem når krystaller utnyttes som frekvens-bestemmende element er at krystallen, foruten sin hovedresonans, oppviser såkalte biresonanser, dvs. svinger ved frekvenser som , ikke er onskelige ved dimensjoneringen av den krets i hvilken krystallen inngår. Også ved disse frekvenser oppviser krystallen en forholdsvis hoy Q-verdi, og derfor får filteret ikke onskelige sperre- eller passbånd for helt andre frekvenser enn de som filteret er dimensjonert for.

Det er tidligere kjent, jfr. f.eks. US patent nr. 3.179.906, å anordne resonanskretser foran og bak filteret for å unngå de ovenfor nevnte, ikke onskelige sperrebånd ved et krystallbåndsperre-filter, hvilke resonanskretser er avstemt til krystallens biresonansfrekvenser, slik at signaler innen deres frekvensbånd sper-res. Dersom f.eks. en parallellresonanskrets med resonansfrekvensen som er lik en av krystallens biresonansfrekvenser tilsluttes krystallen, kommer imidlertid den resulterende kretsen til å oppvise to resonansfrekvenser, av hvilke den ene i al-minnelighet er skilt fra krystallens hovedresonansfrekvens.

Man har således oppnådd to ikke onskelige resonanstopper på be-kostning av å ha eliminert en av krystallens biresonanstopper.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kompenseringskrets for en kvartskrystall, fortrinnsvis inngående i et filter, med hvilket det er mulig å minske innvirkning av i det minste en av krystallens biresonanser.

Oppfinnelsen, hvis kjennetegn fremgår av etterfolgende patent-krav, skal beskrives nærmere under henvisning til vedlagte teg-ninger hvor

fig. 1 viser et diagram over absolutt verdi av impedansen for en kvartskrystall som funksjon av frekvensen,

fig. 2 viser det ekvivalente skjemaet for en kvartskrystall for å belyse krystallens egenskaper nærmere,

fig. 3 viser en utforelsesform av kompenseringskretsen ifolge foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 viser en annen utforelsesform av kompenseringskretsen ifolge foreliggende oppfinnelse,

fig. 5 viser en båndsperrefilterledd i hvilken en krystall med en kompenseringskrets ifolge foreliggende oppfinnelse inngår.

Diagrammet ifolge fig. 1 illustrerer absoluttverdieh av impedansen Zc for en kvartskrystall som funksjon av frekvensen. Krystallen oppviser en hovedresonans ved frekvensen tol, dvs. et ut-preget minimum for hvilket impedansen Zc er rent resistiv og hvilket for en viss type krystaller antar verdiene 10-200 ohm. Lignende minimumsverdi opptrer ved frekvensene uu2 og tu3, ved hvilke frekvenser de såkalte biresonanser for krystallen opptrer. Ytterligere biresonanser opptrer ved frekvenser storre enn uu3, men er ikke vist i figuren. Ved dimensjonering av f.eks. et filter må man ta hensyn til biresonansenes verdi ettersom disse gir opphav til ikke onskede sperre- eller passbånd.

Fig. 2 viser det ekvivalente skjemaet for en kvartskrystall. Skjemaet viser at krystallen kan representeres med en parallellkobling av serieresonanskretser, av hvilke en har en resonansfrekvens som er lik hovedresonansfrekvensen og de ovrige har serieresonansfrekvenser som er lik biresonansfrekvensene hos krystallen. Dessuten oppviser krystallen en kapasitans Co. Hvis serieresonanskretsen Rel, Ccl, Lcl symboliserer den krets for hvilken hovedresonansfrekvensen utgjor resonansfrekvens gjelder

uul = l/V LclCcT, uj2 = l/v/LclccT, w3 = 1/ \TLc3Cc3<1>, osv.

og krystallens resistans ved nevnte frekvenser blir således Rel ved hovedresonansf rekvensen, Rc2 ved biresonansf rekvensen uj2 osv.

Oppfinnelsen bygger på den iakttagelse at krystallen oppviser en hoy Q-verdi, ikke utelukkende ved sin hovedfrekvens cul, men også ved sine biresonansf rekvenser u)2, u)3, osv. På grunn av sin h6ye Q-verdi for disse frekvenser fås en steil minskning av krystallimpedansen Zc. For å utjevne et. ikke onsket minimum i impedansen Zc ved en eller flere av biresonansfrekvensene, bor således Q-verdien for denne frekvens reduseres til onsket verdi. Ifolge oppfinnelsestanken utfores en slik reduksjon av krystallens Q-verdi ved at det til krystallen tilsluttes en kompenseringskrets i form av en topol, hvis impedans har en reell og en imaginær del. Herved innfores en resistiv del som utenfor den frekvens , som er lik resonansfrekvensen for den imaginære del.virker nedsettende på Q-verdien hos krystallen.

Fig. 3 viser en utforelsesform av kompenseringskretsen ifolge den foreliggende oppfinnelse. Kompenseringskretsen består av topolen Tl, hvilken omfatter serieresonanskretsen LI, Cl parallell-koblet med motstanden RI. Resonansfrekvensen for serieresonanskretsen LI, Cl er valgt lik krystallens hovedresonansfrekvens. Herved er topolens impedans ved hovedresonansfrekvensen ubetydelig og krystallen er uforstyrret. ved denne frekvens.- For frekvenser utenfor krystallens hovedresonansfrekvens får topolens impedans et bidrag fra reaktansen hos serieresonanskretsen LI, Cl og den resistive delen av topolens impedans vil

virke nedsettende på krystallens godhetstall ved frekvenser utenfor hovedresonansfrekvensen. Impedansen Zl for topolen kan

kan angis med

Godhetstallet Q for krystallen sammen med topolen Tl kan f.eks.

for biresonansf rekvensen uu2 angis som

Videre gjelder Godhetstallet for krystallen sammen med topolen Tl blir da For å forenkle dette uttrykket kan visse tilnærmelser gjores. Ettersom cu2 > wl = l/V L1C1, er w22<L>lCl » 1, dvs. A * -w2<2>LlCl og B^uj2<4>L1<2>C1<2> + uj22R12C12. Faktoren u)2Lcl er videre »2R1C1/B, , ettersom såvel faktoren B som Lc2 er forholdsvis store tall. For faktoren A 9 /B gjelder ved frekvensen cu2 at w2 2 R1C1« (cu2 2 LlCl)2 dvs. A /B 2*1. Disse tilnærmelser gjor at Et mer eksakt uttrykk på godhetstallet er ifolge beregningene ovenfor

ettersom faktoren oi2Lc2 i de fleste tilfeller er mye storre enn faktoren U)2R1C1/B.

Fig. 4 viser en annen utforelsesform av kompenseringskretsen ifolge oppfinnelsen. Med K betegnes krystallen, hvis frekvens-avhengige impedans Zc varierer ifolge diagrammet ifolge fig. 1. ParaJlelt med krystallen K er en topol T2 med impedansen Z2 tilsluttet, hvilken består av resistansen R2 og parallellresonans-kretsen L2, C2. Ytterligere topoler av samme struktur som topolen T2 kan tilsluttes parallelt med krystallen K. Induktansen L2 og kapasitansen Cs er dimensjonert slik at resonanskretsen

L2, C2 har resonans ved krystallens hovedresonansf rekvens oil,

dvs. uul = l/ i L2C2. Ved denne frekvens er impedansen på paral-lellresonanskretsen hoy og krystallen er uforstyrret. Resistansen R2 har således ved hovedresonansf rekvens oil ingen innvirkning

på krystallen. For frekvenser utenfor frekvensen oil vil derimot parallellresonanskretsens reaktans til å være lavere enn ved hovedresonansfrekvensen og resistansen på motstanden R2 vil innvirke på krystallen, og på én slik måte at dens Q-verdi utenfor frekvensen oil minskes.

Utseendet av kompenseringskretsen ifolge den foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til en enkel topol som omfatter en reso-nanskrets i serie eller parallelt med en resistans ifolge fig. 3

og 4. Det er også mulig , spesielt ved dimensjonering av filterleddet å kombinere begge topolene slik at en kompenseringskrets i form av en serie-parallellkobling oppnås.

Fig. 5 viser en praktisk utforelsesform av en båndsperrefilterledd, hvilken en kompenseringskrets ifolge oppfinnelsen inngår i form av en slik serieparallellkombinasjon. Filterleddet er derved dimensjonert slik at den demper frekvensen 60 kHz og gir en ut-jevning av krystallimpedansen ved biresonansen 3.60 = 180 kHz.

I leddet inngår en krystall av typen RTM 452 (Quarz Cheramic, hvilken symboliseres med parallellkoblingen av kondensatoren Co og en serieresonanskrets Lk, Ck, jfr. det ekvivalente skje-

maet ifolge fig. 2. Til krystallen K er det tilkoblet i serie en forste topol T2 av samme utseendet som den ifolge fig. 4. Videre er en andre topol Tl av samme utseende som kretsen ifolge fig. 3 tilsluttet parallelt med krystallen. Av praktiske grunner er i koblingen ifolge fig. 5 motstanden RI ifolge fig. 3 blitt sammenfort med motstanden R2 i topolen ifolge fig. 4 til en mot-

stand R12. De i filterleddet inngående komponenter har folgende verdier

Co = 34 pF, Lk = 25.000 mH, Ck = 0,28178 pF..

Disse verdiene er mottatt ved måling på krystallen, ved biresonansen 180 kHz. Beregninger gir folgende verdier

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

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

Beregningene av krystallens godhetstall ved de tredje og femte overtonene, dvs. ved frekvensene 180 kHz og 300 kHz gir som resul-tat at Q-verdien minskes med en faktor 1000 ved 180 kHz og med en faktor 2000 ved 300 kHz. En betydelig minskning av krystallens godhetstall ved de ikke onskede overtonene er således blitt oppnådd og derved en betydelig minskning av biresonansenes innvirkning i filterleddet.

I de ovenfor beskrevne utforelsesformene av kompenseringskretsen

er denne blitt dimensjonert slik at en minskning av krystallens godhetstall ved biresonansfrekvensene oppnås, mens godhetstallet ved krystallens grunnfrekvens er uforandret. Det er imidlertid også mulig at istedenfor å dimensjonere kompenseringskretsen slik at krystallens godhetstall blir uforandret ved noen av biresonansfrekvensene mens dens godhetstall ved grunnfrekvensen og de bvrige biresonansfrekvenser minskes.

Forholdet mellom krystallens godhetstall og godhetstallet som

er oppnådd ved hjelp av kompenseringskretsen kan variere innen meget vide områder, fra verdien noe over 1 opp til flere tusen, avhengig av krystallens frekvensegenskaper og de frekvensområder for hvilke kompensering onskes.

Claims (6)

1. Kompenseringskrets for å gi okt bidrag til impedansverdien hos en kvartskrystall ved visse fra en bestemt resonansfrekvens (oil) hos krystallen avvikende frekvenser, karakterisert ved at den omfatter en topol (Tl, T2) som i det minste ved en (tu2) av de fra nevnte bestemte resonansfrekvens (oil) avvikende frekvensene (oi2, cu3 ...) har en impedansverdi (Zl fig. 3, Z2 fig. 4) som vesentlig skiller seg fra impedansverdien ved ovrige frekvenser og er tilsluttet til kvartskry-stallen (K) på en slik måte at ved en (cu2) av nevnte frekvenser, impedansen (Z<1> fig. 3, Z'<1> fig. 4) hos den av nevnte topol (Tl fig. 3, T2 fig. 4) og kvartskrystall (K) felles dannede kretsen er vesentlig hoyere enn krystallen alene, idet nevnte topol (Tl fig. 3, T2 fig. 4) har en resistansverdi (RI fig. 3, R2 fig. 4) som er valgt slik at den felles Q-verdien for krystallen (K) og topolen (Tl fig. 3, T2 fig. 4) er minst 1, 2 ganger mindre ved den (u>2) av de fra nevnte resonansfrekvens (oil) avvikende frekvensene (u)3) enn kvartskrystallens Q-verdi ved nevnte bestemte resonansfrekvens ( iul) . r 2. Kompenseringskrets som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte topol (Tl fig. 3, T2 fig. 4) består av i det minste en impedans (Zl resp. Z2), hvilken oppviser såvel en resistiv som en reaktiv del (RI resp. LI, Cl fig. 3, R2 resp. L

2, C2 fig. 4), hvor den reaktive delen danner en resonans-krets, hvis resonansfrekvens er valgt hovedsaklig lik nevnte bestemte resonansfrekvens (luI) og slik at den resistive delens innvirkning ved denne frekvens er ubetydelig, men at ved i det minste en fra den bestemte resonansfrekvensen avvikende frekvens (tu2) , såvel den reaktive som den resistive delen innvirker på krystallens impedans (zc) .

3. Kompenseringskrets som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte bestemte resonansfrekvens utgjores av krystallens hovedresonansfrekvens (uul) samt at de fra nevnte bestemte resonansfrekvens avvikende frekvensene utgjores av krystallens biresonansf rekvenser (oi2, u)3 osv.

4. Kompenseringskrets som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte bestemte resonansfrekvens utgjores av en av krystallens biresonansf rekvenser (f .eks. o>2) og at de ovrige fra nevnte bestemte resonansfrekvens avvikende frekvensene utgjores av krystallens hovedresonansf rekvens (oil) og dens ovrige biresonansf rekvenser (uj3 osv.) .

5. Kompenseringskrets som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte topol (Tl fig. 3, T2 fig. 4) omfatter en parallellkobling av en serieresonanskrets (LI, Cl) med en resistans (RI), hvilken er tilsluttet i serie med krystallen (K) .

6. Kompenseringskrets som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte topol omfatter en seriekobling av en parallellresonanskrets (L2, C2) med en resistans (R2), hvilken er tilsluttet i parallell med krystallen (K).