Filtro De Cristal Monolítico – Funcionamiento, Impedancia De Los Filtros

El filtro de cristal monolítico, MCF, ofrece altos niveles de rendimiento cuando se necesitan filtros de paso de banda para aplicaciones que incluyen el uso dentro de las secciones de amplificación de frecuencia intermedia de las estaciones base de radio, y otras formas de receptores de radio avanzados.

Aunque una opción es utilizar un filtro de paso de banda de cristal de cuarzo, los filtros monolíticos pueden ofrecer mejores prestaciones y ser mucho más pequeños.

Gracias a una tecnología similar a la de los semiconductores, los filtros monolíticos de cristal se fabrican con una sola oblea de cuarzo para ofrecer niveles de rendimiento muy elevados.

 

Filtro de cristal monolítico: lo básico

Tradicionalmente, un filtro de cristal se fabrica con varios cristales discretos. Sin embargo, estos diseños requieren el uso de varios cristales individuales, a menudo seis u ocho para obtener el rendimiento requerido. Por lo tanto, son grandes y requieren un diseño y un montaje cuidadosos.

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En lugar de tener varios cristales discretos, un filtro de cristal monolítico, MCF, utiliza un único elemento de cristal y dos conjuntos de electrodos chapados en la superficie.

Esto puede hacerse de dos maneras:

  • Electrodos idénticos: El primer método consiste en tener dos conjuntos de electrodos idénticos, superior e inferior.
  • Un único electrodo de tierra común: Como alternativa, se puede colocar un único electrodo en una superficie que actúe efectivamente como una tierra común con dos electrodos, uno para la entrada y otro para la salida en la parte superior.

Al igual que la mayoría de los cristales utilizados para aplicaciones de radiofrecuencia, se utiliza un corte AT – el corte del cristal se define por el ángulo en el que se corta la pieza en bruto del cristal de cuarzo original y el ángulo de corte define muchas de las propiedades de la pieza en bruto de cristal y, por lo tanto, el filtro en general.

Los dos conjuntos de electrodos se colocan en el cristal. Los electrodos se acoplan entre sí mediante las resonancias mecánicas del cristal para obtener un filtro altamente selectivo.

Filtro de cristal monolítico: lo básico

El cristal de cuarzo para el filtro de cristal monolítico, MCF, se cultiva y corta de la misma manera que se utiliza para los cristales de cuarzo normales. Hoy en día se utiliza cuarzo sintético y las piezas en bruto se cortan, se esmerilan y se lapean como en el caso de los resonadores de cristal.

Una vez terminada la pieza en bruto, se depositan los electrodos sobre el cuarzo. Suelen ser de aluminio, plata u oro, y deben depositarse en condiciones muy controladas para que cubran el área requerida y tengan el grosor correcto.

El grosor de los electrodos puede utilizarse para ajustar el filtro a su frecuencia de resonancia exacta. Si los electrodos son ligeramente más gruesos, se reduce la frecuencia, lo que permite que el rendimiento final cumpla requisitos muy estrictos.

Filtro de cristal monolítico: lo básico

Funcionamiento del filtro de cristal monolítico

Al igual que el cristal de cuarzo estándar, el filtro de cristal monolítico, MCF, se basa en el efecto piezoeléctrico que presenta el cuarzo para su funcionamiento. Cuando las señales aparecen a través de un par de electrodos, provocan vibraciones mecánicas en el cristal.

Éstas se ven afectadas por las resonancias mecánicas del elemento de cristal, y sólo las señales que se encuentran dentro de la banda de paso del filtro pueden atravesar el cristal para ser captadas por el segundo par de electrodos.

Las principales regiones de resonancia del filtro se encuentran entre los electrodos de las superficies superior e inferior. El grosor de la oblea entre los electrodos será igual a n/2 donde es la longitud de onda de la vibración en el cristal.

Funcionamiento del filtro de cristal monolítico

El funcionamiento del filtro puede explicarse en términos de un circuito equivalente. Hay varios elementos en él, cada uno de los cuales contribuye al rendimiento general del filtro.

Funcionamiento del filtro de cristal monolítico

Hay varios elementos en el funcionamiento del filtro de cristal monolítico, el circuito MCF.

  • L1 / C1 y L2 / C2 : Son los dos circuitos resonantes en serie. Los valores reales de estos componentes equivalentes están determinados por las dimensiones y propiedades mecánicas del elemento de cuarzo.
  • L3: Representa el acoplamiento interno dentro del acoplamiento interno entre los dos circuitos resonantes. Suele ser igual a k x L1, suponiendo que L1 = L2. Se puede calcular a partir del ancho de banda dividido por la frecuencia central (B / F0). Los valores típicos de la constante de acoplamiento están en torno a 0,0005.
  • Co: Es la capacitancia parásita entre los electrodos superior e inferior de la entrada y la salida – se supone que son iguales. Esta capacitancia se puede acomodar dentro de las redes de adaptación de entrada y salida que están fuera del filtro y dentro de los circuitos externos.
  • Cp: Cp es la capacitancia de fuga parásita a través del elemento resonante del filtro de cristal monolítico. Esta capacitancia debe mantenerse lo más pequeña posible para evitar la fuga de señal a través del filtro, lo que perjudica su rendimiento de atenuación en la banda de parada.

Los filtros de cristal monolíticos pueden diseñarse para su uso en una amplia gama de frecuencias. Sin embargo, los costes aumentan a medida que se incrementan las frecuencias, ya que la fabricación es más exigente y las tasas de rechazo aumentan porque los cristales son mucho más pequeños y frágiles.

Cuando se requiere un funcionamiento a altas frecuencias, estos filtros monolíticos pueden funcionar en modo de sobretono, lo que hace que los elementos de cristal sean más grandes y, por tanto, más robustos que si estuvieran diseñados para el funcionamiento en frecuencia fundamental.

Funcionamiento del filtro de cristal monolítico

Impedancia de los filtros monolíticos

Cuando se utiliza cualquier tipo de filtro es necesario asegurarse de que está terminado con la impedancia correcta. Lo mismo ocurre con los filtros monolíticos de cristal. Al diseñar el filtro es necesario poder calcular su impedancia. Normalmente está entre 500 y 10k. Es relativamente fácil hacer una buena estimación de la impedancia de la entrada y la salida.

Impedancia de los filtros monolíticos

Donde:

  • Z = impedancia del filtro
  • n = sobretono utilizado para el filtro
  • B = ancho de banda en kHz
  • fo = frecuencia central en MHz
  • R es una constante – normalmente entre 1 k y 2 k

Filtros monolíticos multietapa

La mayoría de los filtros monolíticos de cristal, MCF que se pueden comprar son versiones de dos polos, es decir, equivalen a utilizar dos cristales. Para mejorar el rendimiento de un filtro monolítico de cristal, es posible añadir filtros de adición en serie.

Otro método consiste en añadir más polos a un filtro concreto. Esto aumentará la tasa de corte y la atenuación de la banda de parada. Sin embargo, a medida que el número de polos aumenta dentro de una unidad de cristal único, los modos no deseados se vuelven más difíciles de controlar. En consecuencia, se pueden construir varios filtros en serie en el mismo paquete global.

Un filtro de cristal monolítico fabricado con varias secciones suele denominarse filtro de cristal monolítico en tándem.

Los filtros monolíticos de cristal, MCF, tienen muchos usos en la tecnología de los receptores de radio, ya que son capaces de proporcionar un método compacto, pero eficaz, de proporcionar filtros altamente selectivos.

Se utilizan en las etapas de frecuencia intermedia de los receptores de comunicaciones y en los receptores de estaciones base de radio. Su rendimiento suele ser mejor que el de un filtro que utilice cristales discretos con el mismo número de polos.

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