Filtro Monolítico de Cristal: Filtro Passa-Banda Monolítico

Filtro de cristal monolítico, a tecnologia MCF é usada para fornecer um filtro passa-banda pequeno e eficaz em aplicações de design de RF, como estações base de rádio e outros receptores de rádio de alto desempenho.

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O filtro de cristal monolítico, MCF, fornece altos níveis de desempenho onde os filtros passa-banda são necessários para aplicações, incluindo o uso nas seções de amplificadores de frequência intermediária de estações base de rádio e outras formas de receptores de rádio avançados.

Embora uma opção seja usar um filtro passa-banda de cristal de quartzo, os filtros monolíticos são capazes de oferecer melhor desempenho e podem ser muito menores.

Usando tecnologia semelhante à dos semicondutores, os filtros de cristal monolítico são fabricados usando um único wafer de quartzo para fornecer níveis muito altos de desempenho.

Filtro de cristal monolítico: o básico

Tradicionalmente, um filtro de cristal é feito de vários cristais discretos. No entanto, esses projetos requerem o uso de vários cristais individuais – geralmente seis ou oito são usados ​​para fornecer o desempenho necessário. Como tal, tornam-se grandes e requerem um projeto e montagem cuidadosos.

Em vez de ter um número de cristais discretos, um filtro de cristal monolítico, MCF, usa um único elemento de cristal e dois conjuntos de eletrodos colocados na superfície.

Em muitos aspectos, o filtro monolítico assume a liderança da tecnologia de circuito integrado, onde muitos componentes eletrônicos são integrados em um único wafer de silício. Embora não seja exatamente o mesmo, o filtro monolítico incorpora vários ‘pólos’ em um único wafer de cristal de quartzo.

Existem duas maneiras pelas quais isso pode ser feito:

• Eletrodos idênticos:   O primeiro método é ter dois conjuntos de eletrodos idênticos, superior e inferior.
• Eletrodo de aterramento comum único:   Alternativamente, um único eletrodo pode ser revestido em uma superfície, atuando efetivamente como um aterramento comum com dois eletrodos, um para a entrada e outro para a saída na parte superior.

Como a maioria dos cristais usados ​​para projetos e aplicações de radiofrequência, um corte AT é usado – o corte do cristal é definido pelo ângulo em que o branco é cortado do cristal de quartzo original e o ângulo de corte define muitas das propriedades do cristal em branco e, portanto, o filtro geral.

Os dois conjuntos de eletrodos são colocados no cristal. Os eletrodos são acoplados uns aos outros pelas ressonâncias mecânicas no cristal para dar um filtro altamente seletivo.

O cristal de quartzo para o filtro de cristal monolítico, MCF, é cultivado e cortado da mesma forma que o usado para cristais de quartzo normais. O quartzo sintético é usado atualmente e os espaços em branco são cortados, retificados e lapidados como nos ressonadores de cristal.

Uma vez concluído o branco, os eletrodos são depositados no quartzo. Normalmente são alumínio, prata ou ouro, e devem ser depositados em condições muito controladas para que cubram a área necessária e tenham a espessura correta.

A espessura dos eletrodos pode ser usada para ajustar o filtro à sua frequência ressonante exata. Tornar os eletrodos ligeiramente mais espessos reduz a frequência, permitindo que o desempenho final atenda a requisitos muito rigorosos.

Operação de filtro de cristal monolítico

Como o cristal de quartzo padrão, o filtro de cristal monolítico, MCF, depende do efeito piezoelétrico que é exibido no quartzo para sua operação. Quando os sinais aparecem em um par de eletrodos, eles criam vibrações mecânicas no cristal.

Estes são afetados pelas ressonâncias mecânicas do elemento de cristal, e apenas os sinais dentro da banda de passagem do filtro são permitidos através do cristal para serem captados pelo segundo par de eletrodos.

As regiões ressonantes primárias do filtro estão entre os eletrodos nas superfícies superior e inferior. A espessura do wafer entre os eletrodos será igual a nλ/2 onde λ é o comprimento de onda da vibração no cristal.

A operação do filtro pode ser explicada em termos de um circuito equivalente. Existem vários elementos para isso, cada um aumentando o desempenho geral do filtro.

Existem vários elementos para a operação do filtro de cristal monolítico, circuito MCF.

• L1 / C1 e L2 / C2:   Estes são os dois circuitos ressonantes em série. Os valores reais desses componentes equivalentes são determinados pelas dimensões e propriedades mecânicas do elemento de quartzo.
• L3:   Isso representa o acoplamento interno dentro do acoplamento interno entre os dois circuitos ressonantes. É tipicamente igual a kx L1, assumindo L1 = L2. Pode ser calculado a partir da largura de banda dividida pela frequência central (B / F ₀ ). Os valores típicos para a constante de acoplamento estão em torno de 0,0005.
• Co:   Esta é a capacitância parasita entre os eletrodos superior e inferior da entrada e da saída – eles são considerados iguais. Essa capacitância pode ser acomodada nas redes correspondentes de entrada e saída que estão fora do filtro e dentro do circuito externo.
• Cp:   ​​Cp é a capacitância de vazamento parasita através do elemento ressonante do filtro de cristal monolítico. Essa capacitância precisa ser mantida o menor possível para evitar vazamento de sinal através do filtro, o que prejudica seu desempenho de atenuação da banda de parada

Filtros de cristal monolítico podem ser projetados para uso em uma ampla faixa de frequências. Os custos aumentam, porém, à medida que as frequências aumentam à medida que a fabricação se torna mais exigente e as taxas de rejeição aumentam à medida que os cristais se tornam muito menores e mais frágeis.

Onde a operação em altas frequências é necessária, esses filtros monolíticos podem ser executados em um modo harmônico, e isso resulta em elementos de cristal maiores e, portanto, mais robustos do que se fossem projetados para operação em frequência fundamental.

Impedância do filtro monolítico

Ao usar qualquer forma de filtro, é necessário garantir que ele seja terminado com a impedância correta. O mesmo vale para filtros de cristal monolítico. Ao projetar o filtro, é necessário poder calcular sua impedância. Normalmente é entre 500Ω e 10kΩ. É relativamente fácil fazer uma boa estimativa da impedância de entrada e saída.

Onde:
    Z = impedância da impedância do filtro
    n = overtone usado para o filtro
    B = largura de banda em kHz
    fo = frequência central em MHz
    R é uma constante – tipicamente entre 1 kΩ e 2 kΩ

Filtros monolíticos de vários estágios

A maioria dos filtros de cristal monolítico, MCFs que podem ser comprados são versões de dois pólos, ou seja, são equivalentes ao uso de dois cristais. Para melhorar o desempenho de um filtro de cristal monolítico, é possível adicionar filtros de adição em série. Outra abordagem é adicionar mais pólos a um filtro específico. Isso aumentará a taxa de corte e a atenuação da banda de parada. No entanto, à medida que o número de pólos aumenta dentro de uma única unidade de cristal, os modos indesejados tornam-se mais difíceis de controlar. Consequentemente, vários filtros podem ser construídos em série no mesmo pacote global.

Um filtro de cristal monolítico feito com várias seções é frequentemente chamado de filtro de cristal monolítico em tandem.

Filtros de cristal monolíticos, os MCFs encontram muitos usos na tecnologia de receptores de rádio, pois são capazes de fornecer um método compacto, mas eficaz, de fornecer filtros altamente seletivos. Eles encontram uso nos estágios de frequência intermediária dos receptores de comunicações, bem como nos receptores de estação base de rádio. Seu desempenho geralmente é melhor do que um filtro usando cristais discretos com o mesmo número de pólos.

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