Filtro e Ressonador de Cerâmica: Filtro Passa-Banda de RF e IF
Os filtros cerâmicos usam elementos cerâmicos piezoelétricos para fornecer componentes eletrônicos alternativos compactos e de baixo custo para filtros LC ou RF de cristal de quartzo para muitos projetos de circuitos de radiofrequência ou RF, particularmente como filtros IF.
_______________________________________________________________________
Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
__________________________________________
Os filtros cerâmicos são componentes eletrônicos que são amplamente utilizados em aplicações de filtro passa-banda IF e RF para projetos de circuitos de RF em receptores e transmissores de rádio e similares. Eles também podem ser usados como elementos ressonantes em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos, sendo frequentemente usados em demoduladores de FM.
Esses filtros cerâmicos de RF e IF são componentes eletrônicos de baixo custo que são fáceis de usar e, em muitos aspectos, ideais para uma série de aplicações em que é necessário o desempenho de filtros mais caros, como filtros de cristal.
Além de seu custo e desempenho, seu tamanho pode ser importante porque normalmente são bem pequenos, tornando-os ideais para uso em muitos designs de RF modernos e compactos. Esses ressonadores e filtros estão disponíveis em formatos com chumbo para montagem tradicional em furos passantes, bem como em formato de tecnologia de montagem em superfície para produção em larga escala.
Fundamentos do filtro de cerâmica de RF e IF
Como o nome indica, os filtros passa-faixa de cerâmica de RF e IF são fabricados com cerâmica que exibe o efeito piezoelétrico. Uma das cerâmicas mais comuns usadas é conhecida como PZT, titanato de zircônio de chumbo.
Esses filtros de RF estavam inicialmente disponíveis para frequências mais baixas, com frequências centrais tipicamente dentro da faixa de alguns quilohertz até frequências de 10,7 MHz, que é um IF padrão para muitos receptores de transmissão FM. No entanto, o investimento significativo no desenvolvimento desses filtros permitiu alcançar frequências e níveis de especificação muito mais altos. Frequências até UHF e além já estão disponíveis.
Tendo um nível Q mais baixo do que o quartzo, esses filtros cerâmicos de RF e IF têm larguras de banda que normalmente são medidas entre 0,05 e 20% da frequência operacional. Freqüentemente, os níveis Q variam entre cerca de 500 até 10.000 ou possivelmente mais à medida que a tecnologia melhora.
| DIFERENTES TIPOS DE FILTRO E RESSONADOR DISPONÍVEIS PARA PROJETOS DE RF | ||
|---|---|---|
| TIPO DE FILTRO | FAIXA DE FREQUÊNCIA TÍPICA | DETALHES |
| Filtro Cerâmico | 100kHz – 100MHz | Utilizar elementos cerâmicos piezoelétricos. O desempenho desses componentes eletrônicos é muito superior ao dos filtros LC RF, mas não tão bom quanto os filtros de cristal. Seu pequeno tamanho e baixo custo permitem que sejam usados em muitos receptores de rádio de todos os tipos, mas particularmente como filtros de FI. Eles têm algumas respostas espúrias. |
| Filtro LC | 100kHz para cima | Os filtros LC RF são frequentemente o primeiro tipo de filtro que pode ser considerado. Eles podem ser fabricados a partir de indutores e capacitores básicos, tornando-os ideais para muitas aplicações. Seu desempenho em termos de Q, etc, é geralmente inferior aos filtros de cerâmica e filtros de cristal de quartzo. |
| filtro de cristal | 10kHz – 200MHz | Filtros de RF de altíssimo desempenho com laterais inclinadas entre a banda passante e a banda proibida. Muito boa estabilidade e normalmente baixa perda para o desempenho. Eles têm algumas respostas espúrias. |
Os ressonadores e filtros cerâmicos operam porque a cerâmica utilizada exibe o efeito piezoelétrico. O elemento cerâmico usa suas ressonâncias mecânicas Q muito altas para fornecer as características ressonantes. Como no caso de um cristal de quartzo, os sinais elétricos recebidos são convertidos em vibrações mecânicas que são afetadas pelas ressonâncias mecânicas e, em seguida, o efeito resultante é novamente vinculado ao domínio elétrico.
O efeito geral da ligação piezoelétrica é que os sinais elétricos são afetados pelas ressonâncias mecânicas do elemento cerâmico como se essas ressonâncias estivessem no domínio elétrico.
Existem várias maneiras diferentes pelas quais o ressonador cerâmico piezoelétrico pode vibrar. Normalmente, diferentes modos de vibração são usados para ressonadores cerâmicos operando em diferentes faixas de frequência.
| MODOS E FREQUÊNCIAS DE VIBRAÇÃO TÍPICOS DO RESSONADOR DE CERÂMICA | ||
|---|---|---|
| MODO DE VIBRAÇÃO | FAIXA DE FREQUÊNCIA TÍPICA | DETALHES |
| Modo de flexão | Abaixo ~ 50kHz | No modo de flexão para filtros cerâmicos, a vibração pode ser observada ao longo do comprimento do cristal cerâmico. As pontas podem subir e descer enquanto o meio vai descer e subir. |
| Modo de comprimento | ~50kHz – 1MHz | Quando este modo de vibração é usado para elementos ressonadores cerâmicos, o comprimento do elemento vibra, estendendo-se e encurtando-se ao longo da vibração. |
| Modo de expansão de área | ~100kHz – 2MHz | Para este modo de vibração, a área da placa plana do ressonador de cerâmica se expande e se contrai em todas as direções de acordo com a vibração. À medida que a área aumenta, a espessura diminui ligeiramente. |
| Modo de cisalhamento de espessura | ~ 1MHz – 25MHz | Neste modo, a vibração ocorre através da espessura do ressonador cerâmico. Ele aparece como uma ação de cisalhamento e as vibrações podem ser vistas na espessura do ressonador. |
| Modo expansor de espessura | ~1MHz – 10MHz | Este modo vibracional para um ressonador cerâmico pode parecer incomum. A vibração aparece principalmente no centro do blank e a espessura parece vibrar tornando-se mais espessa e mais fina no centro com a onda vibracional sendo menos vista nas bordas. |
É útil ter uma compreensão da operação básica dos filtros cerâmicos para que possam ser usados com mais eficiência em qualquer aplicação de projeto de circuito de RF.
Formatos de ressonador de cerâmica
Filtros cerâmicos e ressonadores estão disponíveis em duas formas básicas:
- Ressonador básico de cerâmica: O ressonador básico de cerâmica possui duas conexões e equivale a um único cristal de quartzo. É usado em uma variedade de aplicações onde um único ressonador de baixo custo é necessário.
Ressonadores de cerâmica com chumbo mostrando os dois pinos de conexão - Filtro de cerâmica: A tecnologia de ressonador de cerâmica também pode ser usada em projetos de circuitos eletrônicos para fornecer um filtro passa-faixa. Os filtros têm três conexões em vez das duas usadas para o ressonador cerâmico básico.
Filtros de banda passante de cerâmica com chumbo mostrando os três pinos de conexão – entrada, saída, comum
Esses componentes eletrônicos estão disponíveis em formatos com chumbo, bem como SMDs, dispositivos de montagem em superfície.
Mais detalhes sobre cada um dos dois principais tipos de tecnologia de ressonador cerâmico são fornecidos abaixo.
Ressonador cerâmico básico
O próprio ressonador de cerâmica é um componente eletrônico básico de dois terminais que tem muitas semelhanças com um único cristal, embora o nível de desempenho não seja tão alto. No entanto, o ressonador de cerâmica tem a vantagem de ser um componente eletrônico de custo muito menor e, portanto, mais aplicável a aplicações de design de circuitos de RF produzidos em massa.
Em termos de símbolo de circuito, é usado o mesmo símbolo de circuito usado para um cristal: ele representa um cristal de cerâmica sendo mantido entre duas placas.
Em termos de sua realização física, este ressonador cerâmico elementar possui eletrodos revestidos em ambos os lados da própria cerâmica. Em termos de desempenho, ele se comporta da mesma forma que um único cristal de quartzo, embora com um nível de desempenho inferior. Além disso, a separação entre as frequências ressonantes paralelas e em série é maior.
O ressonador de cerâmica tem eletrodos colocados em cada lado do elemento para permitir que os sinais elétricos sejam colocados através do elemento piezoelétrico.
Muitas vezes é útil representar o ressonador cerâmico em termos de seus componentes elétricos equivalentes. Para o ressonador cerâmico, o circuito é muito semelhante ao de um cristal de quartzo, embora os valores reais equivalentes sejam diferentes, representando o desempenho diferente.
O circuito equivalente básico é o mesmo de um cristal de quartzo padrão. Os diferentes elementos são denominados:
C 1 = conformidade equivalente
L 1 = massa equivalente
R 1 = resistência equivalente
C 0 = capacidade equivalente em paralelo
Esses elementos são vistos como valores elétricos quando usados em um circuito eletrônico. Também a resistência em série representa as perdas no circuito, quanto menor o valor, menores as perdas e maior o valor de Q.
A partir do circuito equivalente, pode-se ver que o ressonador de cerâmica tem ressonâncias em série e paralelas da mesma forma que um cristal de quartzo. A principal diferença é que essas ressonâncias têm uma separação maior no caso do ressonador cerâmico.
A curva de impedância para o ressonador cerâmico mostra um valor de pico de impedância no ponto de ressonância paralelo e um valor mínimo no ponto de ressonância em série.
É possível relacionar as frequências ressonantes em série e paralelo com os valores do circuito mostrados no diagrama:
Frequência ressonante paralela:
Frequência ressonante ou antirressonante em série:
Filtro de cerâmica: filtro de RF passa banda de cerâmica
O filtro passa banda cerâmico é utilizado em muitos receptores de rádio, onde é capaz de substituir todos os transformadores LC por um único componente eletrônico. Sendo um componente eletrônico de custo relativamente baixo, tem muitas vantagens de custo, mantendo o nível de desempenho.
Normalmente, existem três conexões, embora às vezes sejam usadas mais. As três conexões principais são: entrada, saída e comum que normalmente é levado ao terra. Quando quatro conexões são usadas, duas são para a entrada e duas para a saída – normalmente dois pinos são levados ao terra. No entanto, a opção de quatro pinos permite que as conexões de “terra” de entrada e saída tenham potenciais diferentes.
O símbolo do circuito de filtro de cerâmica representa o ressonador de cerâmica junto com o eletrodo comum na parte inferior e os eletrodos de entrada e saída separados em distância através do próprio elemento do ressonador de cerâmica.
Assim como o ressonador cerâmico de duas conexões, o filtro cerâmico de três conexões permite gerar um circuito equivalente em termos de indutores básicos, capacitores e resistores que podem ser necessários para recriar o filtro de RF.
Deve-se lembrar que, ao contrário de um filtro LC RF estilo transformador usado para acoplamento e ajuste entre estágios, não há caminho CC dentro do filtro de cerâmica – é um isolador. Portanto, qualquer circuito que use filtros cerâmicos deve levar em consideração isso, fornecendo toda a polarização e corrente da fonte de fora do filtro. Um circuito de transistor se o formato mostrado abaixo funcionaria, embora muitos amplificadores de FI ou ICs de rádio completos tenham portas especificamente para usar filtros de cerâmica e incorporarão os caminhos corretos de corrente e polarização fora do filtro de cerâmica.
e mostrando arranjos DC
O outro ponto a observar é que o filtro de cerâmica precisa ter as impedâncias de fonte e carga corretas para funcionar corretamente. Freqüentemente, não é tão fácil organizar a impedância exata do circuito que aciona o filtro e, portanto, o resistor R3 foi incluído para garantir que a impedância correta da fonte seja vista. Para a saída, é relativamente fácil ajustar os valores do divisor de potencial para fornecer a impedância de carga necessária. Se isso fizer com que o dreno de corrente seja muito alto, um resistor pode ser colocado entre o capacitor C2 e o filtro para o terra.
Especificações do filtro IF de cerâmica
Ao realizar qualquer projeto de circuito de RF usando um filtro de RF ou IF de cerâmica, é essencial entender as especificações. Não apenas existem parâmetros como largura de banda, ondulação dentro da banda, perda de inserção, frequência central e similares relacionados às características de filtragem, mas questões como impedância de entrada e saída, bem como atraso de grupo e similares, são todos importante.
Acomodar os vários parâmetros para que o circuito e o filtro operem juntos é um aspecto fundamental de qualquer projeto de circuito eletrônico. Selecionar o filtro de RF correto nas especificações e folha de dados, etc., é um elemento essencial no projeto do circuito do produto final.
Filtros e ressonadores de cerâmica são amplamente usados como filtros passa-banda de RF e IF baratos para uma variedade de projetos de circuitos de RF e outras aplicações de projetos eletrônicos. Esses filtros de RF estão disponíveis diretamente do fabricante, mas normalmente em quantidades muito grandes, ou por meio de um distribuidor de componentes eletrônicos.
Inicialmente, os filtros cerâmicos foram usados principalmente para fornecer seletividade de FI em receptores de transmissão de baixo custo. Agora, a tecnologia melhorou significativamente e eles são amplamente utilizados em frequências muito mais altas e para atender a requisitos mais exigentes. Assim, eles são usados em muitas formas de projetos de RF, desde sistemas de rádio para fins de comunicação, comunicações celulares ou móveis até aplicações sem fio, bem como em rádios, televisões e outras aplicações de design de RF mais tradicionais.
________________________________________________
Retorne ao menu Componentes Eletrônicos
A Raisa distribui equipamentos para soldagem e para teste e medição há mais de 30 anos! Considere explorar algumas das nossas principais soluções navegando nas categorias abaixo:
0 Comentários