Filtro Y Resonador De Cerámica: Filtro Pasabanda De RF Y IF

Los filtros cerámicos son componentes electrónicos que se utilizan ampliamente en aplicaciones de filtros de paso de banda de IF y RF para el diseño de circuitos de RF en receptores y transmisores de radio y similares. También pueden utilizarse como elementos resonantes en una variedad de diseños de circuitos electrónicos, a menudo utilizados en demoduladores de FM.

Estos filtros cerámicos de RF y FI son componentes electrónicos de bajo costo que son fáciles de usar y en muchos sentidos ideales para una serie de aplicaciones en las que se necesita el rendimiento de filtros más costosos, como los filtros de cristal.

Además de su costo y rendimiento, su tamaño puede ser importante porque normalmente son bastante pequeños, lo que los hace ideales para su uso en muchos diseños modernos y compactos de RF.

Estos resonadores y filtros están disponibles tanto en formatos con plomo para el montaje tradicional en orificios pasantes como en un formato de tecnología de montaje en superficie para la producción a gran escala.

Filtro Y Resonador De Cerámica: Filtro Pasabanda De RF Y IF

Índice()

    Fundamentos de los filtros cerámicos de RF y FI

    Como su nombre indica, los filtros pasabanda cerámicos de RF y IF se fabrican con cerámicas que exhiben el efecto piezoeléctrico. Una de las cerámicas más utilizadas se conoce como PZT, titanato de circonio de plomo.

    Estos filtros de RF estuvieron disponibles inicialmente para frecuencias más bajas, con frecuencias centrales típicamente dentro del rango de unos pocos kilohercios hasta frecuencias de 10,7 MHz que es una IF estándar para muchos receptores de radiodifusión FM.

    Sin embargo, la importante inversión en el desarrollo de estos filtros permitió alcanzar frecuencias y niveles de especificación mucho más altos. Ahora se dispone de frecuencias hasta UHF y más allá.

    Lee: Valores De Resistencia Estándar: E3, E6, E12, E24, E48 Y E96

    Teniendo un nivel de Q más bajo que el cuarzo, estos filtros cerámicos de RF y IF tienen anchos de banda que se miden típicamente entre el 0,05 y el 20% de la frecuencia de operación. A menudo los niveles de Q varían entre alrededor de 500 hasta 10 000 o posiblemente más a medida que la tecnología mejora.

    DIFERENTES TIPOS DE FILTRO Y RESONADOR DISPONIBLES PARA LOS DISEÑOS DE RF
    TIPO DE FILTRO RANGO DE FRECUENCIA TÍPICO DETALLES
    Filtro de cerámica 100kHz - 100MHz Utiliza elementos cerámicos piezoeléctricos. El rendimiento de estos componentes electrónicos es muy superior al de los filtros de radiofrecuencia LC, pero no tan bueno como el de los filtros de cristal. Su pequeño tamaño y bajo costo los hace aptos para ser usados en muchos receptores de radio de todo tipo, pero particularmente como filtros de IF. Tienen algunas respuestas espurias.
    Filtro LC 100kHz hacia arriba Los filtros de radiofrecuencia de LC son a menudo el primer tipo de filtro que se puede considerar. Se pueden fabricar a partir de inductores y condensadores básicos, lo que los hace ideales para muchas aplicaciones. Su rendimiento en términos de Q, etc., es generalmente inferior al de los filtros cerámicos y los filtros de cristal de cuarzo.
    Filtro de cristal 10kHz - 200MHz Filtros de RF de muy alto rendimiento con lados empinados entre la banda de paso y la banda de parada. Muy buena estabilidad y normalmente baja pérdida de rendimiento. Tienen algunas respuestas espurias.

    Los resonadores y filtros cerámicos funcionan porque las cerámicas utilizadas exhiben el efecto piezoeléctrico. El elemento cerámico utiliza sus resonancias mecánicas Q muy altas para proporcionar las características resonantes.

    Como en el caso de un cristal de cuarzo, las señales eléctricas entrantes se convierten en vibraciones mecánicas que se ven afectadas por las resonancias mecánicas, y luego el efecto resultante se vincula de nuevo al dominio eléctrico.

    El efecto general de la unión piezoeléctrica es que las señales eléctricas se ven afectadas por las resonancias mecánicas del elemento cerámico como si estas resonancias estuvieran en el dominio eléctrico.

    Hay varias maneras diferentes en las que el resonador piezoeléctrico de cerámica puede vibrar. Típicamente se utilizan diferentes modos de vibración para los resonadores cerámicos que operan en diferentes rangos de frecuencia.

    RESONADOR CERÁMICO MODOS Y FRECUENCIAS DE VIBRACIÓN TÍPICAS
    MODO DE VIBRACIÓN RANGO DE FRECUENCIA TÍPICO Detalles
    Modo de flexión Por debajo de ~ 50kHz En el modo de flexión de los filtros cerámicos, la vibración puede verse a lo largo del cristal cerámico. Los extremos pueden subir y bajar mientras que el centro bajará y subirá.
    Modo de longitud ~50kHz - 1MHz Cuando este modo de vibración se utiliza para los elementos resonadores de cerámica, la longitud del elemento vibra, extendiéndose y acortándose en el curso de la vibración.
    Modo de expansión de área ~100kHz - 2MHz Para este modo de vibración, el área de la placa resonadora plana de cerámica se expande y contrae en todas las direcciones en línea con la vibración. A medida que el área aumenta, el grosor se reduce ligeramente.
    Modo de cizalla de espesor ~ 1MHz - 25MHz En este modo, la vibración se produce a través del espesor del blanco del resonador de cerámica. Aparece como una acción de cizallamiento, y las vibraciones pueden verse a través del grosor del resonador.
    Modo de expansión del espesor ~1MHz - 10 MHz Este modo de vibración de un resonador cerámico puede parecer inusual. La vibración aparece principalmente en el centro de la pieza en bruto y el grosor parece vibrar haciéndose más grueso y más delgado en el centro con la onda vibratoria siendo vista menos hacia los bordes.

    Es útil tener una comprensión del funcionamiento básico de los filtros cerámicos para que puedan ser utilizados de la manera más eficaz en cualquier aplicación de diseño de circuitos de RF.

    Formatos de los resonadores cerámicos

    Los filtros cerámicos y los resonadores están disponibles en dos formas básicas:

    • Resonador cerámico básico: El resonador cerámico básico tiene dos conexiones y es el equivalente a un solo cristal de cuarzo. Se utiliza en una variedad de aplicaciones en las que se requiere un único resonador de bajo costo.

    Resonador cerámico básico

    • Filtro cerámico: La tecnología del resonador cerámico también puede usarse en el diseño de circuitos electrónicos para proporcionar un filtro pasabanda. Los filtros tienen tres conexiones en lugar de las dos que se usan para el resonador cerámico básico.

    Filtro cerámico

    Estos componentes electrónicos están disponibles en ambos formatos de plomo, así como en SMD, dispositivos de montaje en superficie.

    A continuación se dan más detalles sobre cada uno de los dos tipos principales de tecnología de resonador cerámico.

    Resonador cerámico básico

    El resonador cerámico en sí mismo es un componente electrónico básico de dos terminales que tiene muchas similitudes con un solo cristal, aunque el nivel de rendimiento no es tan alto. Sin embargo, el resonador cerámico tiene la ventaja de que es un componente electrónico de mucho menor costo, y por lo tanto es más aplicable a las aplicaciones de diseño de circuitos de RF producidos en masa.

    En cuanto al símbolo del circuito, se utiliza el mismo símbolo de circuito que el utilizado para un cristal: representa un cristal cerámico sostenido entre dos placas.

    Símbolo del circuito del resonador de cerámica
    Símbolo del circuito del resonador de cerámica

    En términos de su realización física, este resonador de cerámica elemental tiene electrodos chapados a cada lado de la cerámica misma. En términos de su rendimiento, se comporta de manera muy similar a un solo cristal de cuarzo, aunque con un nivel de rendimiento menor. También la separación entre las frecuencias resonantes paralelas y en serie es mayor.

    Diagrama de la construcción física de un resonador de cerámica
    Diagrama de la construcción física de un resonador de cerámica

    El resonador de cerámica tiene electrodos chapados a ambos lados del elemento para permitir que las señales eléctricas se coloquen a través del elemento piezoeléctrico.

    A menudo es útil representar el resonador cerámico en términos de sus componentes eléctricos equivalentes. En el caso del resonador cerámico, el circuito es muy similar al de un cristal de cuarzo, aunque los valores equivalentes reales son diferentes, lo que representa el rendimiento diferente.

    Circuito equivalente a un resonador cerámico
    Circuito equivalente a un resonador cerámico

    El circuito básico equivalente es el mismo que el de un cristal de cuarzo estándar. Los diferentes elementos se denominan:

    C1 = cumplimiento equivalente
    L1 = masa equivalente
    R1 = resistencia equivalente
    C0 = capacidad equivalente paralela

    Todos estos elementos se consideran valores eléctricos cuando se usan dentro de un circuito electrónico. También la resistencia en serie representa las pérdidas en el circuito, cuanto menor sea el valor, menores serán las pérdidas y mayor el valor de Q.

    En el circuito equivalente, se puede ver que el resonador cerámico tiene resonancias en serie y en paralelo de la misma manera que un cristal de cuarzo. La principal diferencia es que estas resonancias tienen una mayor separación en el caso del resonador cerámico.

    Ceramic resonator impedance response curve

    La curva de impedancia del resonador cerámico muestra un valor máximo de impedancia en el punto de resonancia paralelo y un mínimo en el punto de resonancia en serie.

    Es posible relacionar las frecuencias de resonancia en serie y en paralelo con los valores de los circuitos que se muestran en el diagrama:

    Frecuencia de resonancia paralela

    Frecuencia de resonancia paralela

    Frecuencia resonante o anti-resonante en serie

    Frecuencia resonante o anti-resonante en serie

    Filtro cerámico: filtro cerámico de paso de banda RF

    El filtro pasabanda cerámico se utiliza en muchos receptores de radio, donde es capaz de reemplazar todos los transformadores LC con un solo componente electrónico. Al ser un componente electrónico de coste relativamente bajo en sí mismo, esto tiene muchas ventajas de coste, a la vez que mantiene el nivel de rendimiento.

    Filtro IF cerámico de 3 pines
    Filtro IF cerámico de 3 pines

    Típicamente hay tres conexiones, aunque a veces se utilizan más. Las tres conexiones principales son: entrada, salida y común que normalmente se lleva a tierra. Cuando se utilizan cuatro conexiones, dos son para la entrada y dos para la salida - normalmente se llevan dos pines a tierra. Sin embargo, la opción de cuatro pines da la opción de que las conexiones de entrada y salida "a tierra" estén a potenciales diferentes.

    El símbolo del circuito del filtro cerámico da una representación del resonador cerámico junto con el electrodo común en la parte inferior, y los electrodos de entrada y salida separados en distancia a través del propio elemento del resonador cerámico.

    Símbolo del circuito del filtro pasabanda de cerámica
    Símbolo del circuito del filtro pasabanda de cerámica

    Al igual que el resonador cerámico de dos conexiones, el filtro cerámico de tres conexiones es posible generar un circuito equivalente en términos de los inductores, condensadores y resistencias básicos que podrían ser necesarios para recrear el filtro de RF.

    Circuito equivalente a un filtro de banda pasante de cerámica
    Circuito equivalente a un filtro de banda pasante de cerámica

    Hay que recordar que a diferencia de un filtro de RF LC de estilo transformador utilizado para el acoplamiento y la sintonía entre etapas, no hay una ruta de CC dentro del filtro cerámico, es un aislante.

    Por lo tanto, cualquier circuito que utilice filtros cerámicos debe tener en cuenta que esto proporciona todo el sesgo y la corriente de la fuente desde el exterior del filtro. Un circuito de transistores, si el formato que se muestra a continuación, funcionaría, aunque muchos amplificadores de FI o IC de radio completos tienen puertos específicos para el uso de filtros cerámicos e incorporarán las trayectorias de corriente y de polarización correctas fuera del filtro cerámico.

    Circuito cerámico de filtro pasabanda usando transistores y mostrando los arreglos de DC
    Circuito cerámico de filtro pasabanda usando transistores y mostrando los arreglos de DC

    El otro punto a tener en cuenta es que el filtro cerámico necesita tener las impedancias de fuente y carga correctas si quiere funcionar correctamente. A menudo no es tan fácil organizar la impedancia exacta del circuito que impulsa el filtro y, en consecuencia, se ha incluido la resistencia R3 para asegurar que se vea la impedancia de fuente correcta.

    Para la salida, es relativamente fácil ajustar los valores del divisor de potencial para proporcionar la impedancia de carga requerida. Si esto causara que el drenaje de corriente fuera demasiado alto, entonces se podría colocar una resistencia entre el condensador C2 y el filtro a tierra.

    Especificaciones del filtro cerámico de IF

    Cuando se emprende cualquier diseño de un circuito de RF usando un filtro cerámico de RF o IF, es esencial entender las especificaciones. No sólo hay parámetros como la anchura de banda, el rizado dentro de la banda, la pérdida de inserción, la frecuencia central y similares que están relacionados con las características del filtro, sino que también son importantes cuestiones como la impedancia de entrada y de salida, así como el retardo de grupo y similares.

    Filtro IF cerámico de 4 pines

    Acomodar los diversos parámetros para que el circuito y el filtro funcionen juntos es un aspecto clave de cualquier diseño de circuito electrónico. La selección del filtro de RF correcto de las especificaciones y la hoja de datos, etc. es un elemento esencial en el diseño del circuito del producto final.

    Lee: Tipos De Inductores – Núcleos, Aplicaciones Y Fundamentos.

    Los filtros y resonadores cerámicos se utilizan ampliamente como filtros de paso de banda de RF y FI baratos para una variedad de diseños de circuitos de RF y otras aplicaciones de diseño electrónico. Estos filtros de RF están disponibles directamente del fabricante, pero normalmente en cantidades muy grandes, o a través de un distribuidor de componentes electrónicos.

    Inicialmente los filtros cerámicos se utilizaron principalmente para proporcionar selectividad de FI en receptores de radiodifusión de bajo coste. Ahora la tecnología ha mejorado significativamente y se utilizan ampliamente en frecuencias mucho más altas y para satisfacer requisitos más exigentes.

    En consecuencia, se utilizan en muchas formas de diseños de RF que van desde los sistemas de radio con fines de comunicación, las comunicaciones celulares o móviles hasta las aplicaciones inalámbricas, así como en las radios de difusión, las televisiones y otras aplicaciones de diseño de RF más tradicionales.

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