Filtr: Ceramiczne

 Filtr: Ceramiczne
 Drgania w rezonatorach kwarcowych i ceramicznych są pobudzane wskutek wlasnosci piezoelektrycznych materiału. W przedmiocie trojwymiarowym moze istniec wiele rodzajow mechanicznych  drgań. W ramach każdego rodzaju drgan mozliwe sa tez drgania harmoniczne.
Dokladny schemat zastepczy rezonatora jest skomplikowany ale gdy ma on pracowac blisko swojego glownego renonansu jest to szeregowy obwod LCR z rownolegla do niego pojemnoscia. Dla rezonatorow kwarcowych dobroc szeregowego obwodu RLC przekracza dziesiec tysiecy razy dochodzac rzadko do miliona w specjalnych rezonatorach. W rezonatorach ceramicznych dobroc wynosi kilka tysiecy ale moze tez byc dla innych materialow bardzo mala, rzedu 50. Do czasu zastosowania fotolitografii do produkcji rezonatorow kwarcowych byly one drogie i produkowane w malych seriach. Jednym z masowych zastosowan rezonatorow kwarcowych staly sie radiotelefony CB ( Citizen Band – Pasmo Obywatelskie ) pracujace na "niestrzezonym" zakresie czestotliwosci. Popyt na rezonatory spowodowal opracowanie technologi masowej produkcji wysokiej jakosci rezonatorow w miniaturowych obudowach.

Selektywnosc odbiornika superheterodynowego, a innych nie ma,  wykonana jest w torze czestotliwosci posredniej IF  a przy wielokrotnej przemianie czestotliwosci na najnizszej czestotliwosci.  
Swiatowym potentatem filtrow ceramicznych jest japonski koncern Murata, produkujacy zreszta wiele roznych filtrow.
W krajach Zachodu jakosc nadawanych w zakresie UKF – FM programow jest bardzo dobra i tych programow jest nadawanych dosc duzo tak aby kazdy mial cos odpowiedniego dla siebie.

Filtry, rezonatory, pulapki, demodulatory... ceramiczne produkowane sa na zakres czestotliwosci 300 KHz do 70 MHz.
Produkcja prostych ceramicznych rezonatorow i filtrow nie jest skomplikowana. Drobno zmielone materialy wyjsciowe ceramiki ( nie sa to materialy bardzo drogie ) poddane są kalcynacji w temperaturze okolo 800 C. Po czym po zmieleniu na drobny proszek o czastkach 2-5 um dodaje się spoiwo otrzymujac plastyczna mase prasowana w krazki i prostopadlosciany. W poczatkowo niskiej temperaturze wypalania usuniete jest spoiwo a nastepnie w wysokiej temperaturze nastepuje proces spiekania w material polikrystaliczny.  Nastepnie w temperaturach tuż poniżej temperatury Curie przyłożenie silnego zewnętrznego pola elektrycznego  powoduje trwala polaryzacje domen, która zachowuje się po schłodzeniu materialu, który uzyskal pozadane własnosci piezoelektryczne. Nastepnie  rezonatory sa przycinane na rozmiar i szlifowane. Sluzace jako kontakty powierzchnie czolowe a dla filtru tez srodkowa są metalizowane. Rezonator/y musza miec swobode drgan. Przedmiot pokrywany jest woskiem a następnie porowatą powłoka z tworzywa sztucznego do utwardzenia gdy pochlania ono  wosk. Rezonator/y swobodnie drga w swojej obudowie i utrzymywany jest polaczeniami.

Do torów IF telewizyjnego dzwięku z modulacja czestotliwosciowa FM produkuje sie filtry ceramiczne na czestotliwosci 4.5, 5 , 5.5, 6 i 6.5 MHz. Ale oprocz filtrow produkuje sie tez rezonatory do scalonych demodulatorow FM ale takze filtry do "pułapek" na te częstotliwości i rezonatory zastepujace w oscylatorach ( tam gdzie to jest mozliwe bo tolerancja jest rzedu 0.2% ) kwarce przy mikrokontrolerach a znacznie tansze.

W konwerterach anten telewizji satelitarnej na zakres X  do stabilizacji mikrofalowej czestotliwosci heterodyny stosowany jest ceramiczny walec – rezonator. Heterodyna dzieki temu  jest dosc stabilna i ma maly szum fazy.    

Filtr ceramiczny Murata SFE10.7MA5 zawital do Polski w licencyjnym od Sanyo radioobiorniku Elizabeth. Jest to odpowiednik dwuobwodowego filtru LC.  Ale jest cala seria filtrow rodziny SFE10.7xxxx. Sa filtry o mniejszej selektywnosci ale malym GDT i filtry o zmniejszonym tłumieniu.
Kazdy filtr ma nominalna charakterystyka czestotliwosciowa i fazowa tylko dla okreslonych impedancji / rezystancji  na wejsciu i wyjsciu. Filtry SFE sa symetryczne i mozna je dowolnie montowac bowiem pin GND jest w srodku obudowy. Nieliniowa charakterystyka fazowa daje zniksztalcenia nieliniowe sygnalu z modulacja czestotliwosci. Totez na wykresach oprocz charakterystyki czestotliwosciowej podano tez Group Delay Time. GDT jest wygodniejszy w prezentacji na wykresie jako ze GDT liniowej charakterystyki fazowej jest plaski. Filtry te maja byc z obu stron dopasowane rezystancja 330 Ohm z mozliwa pojemnoscia 10 pF na wyjsciu.
Na wykresach pokazano wlasnosci jednego z filtrow rodziny SFE10.7 przy roznej rezystancji dopasowania na wyjsciu. Jak widac charakterystyka robi sie asymetryczna ale filtry nie sa jakos bardzo wrazliwe.

Na kolejnym wykresie pokazano wplyw dodatkowej pojemnosci na wyjsciu ( ponad normalne 10pF ) przy nominalnym dopasowaniu rezystorami 330 Ohm. Charakrestystyka amplitudowa robi sie Czebyszewowska i troche niesymetryczna wokoł czestotliwosci 10.7 Mhz a GTD rosnie ale filtry nie sa jakos bardzo wrazliwe.  

Oczywiscie nic nie zastapi scislych informacji od producenta filtru ceramicznego. Natomiast jego charakterystyke czestotliwosciowa, takze w ukladzie roboczym, mozemy latwo zmierzyc. Pomiar GDT wymaga odpowiedniego ukladu. Sprawe omowiono w innym miejscu.
Odgadniety model SFE10.7MA5 symulowany z programie Microcap daje odpowiedz czestotliwosciowa taka jak podaje producent.
W krajach OIRT radiofonii UKF – FM przydzielono zakres 66-74 MHz a krajom CCIR zakres 88-104 MHz ale w USA do 108 MHz i wszedzie zakres rozszerzono w gore do 108 MHz.
Agencje rzadowe przydzialaja nadawcom czestotliwosci tak aby dobrze pracowaly nawet odbiorniki FM o slabych parametrach. W jednym okregu / centrum nadawczym stacje FM nie powinny byc blizej niz co 400 KHz. W sasiednich okregach stacje powinny byc z offsetami 200 KHz (Adjacent channels ) a dopiero w dalszych 100 KHz a te same czestotliwosci moga byc uzyte w odleglosciach wielu setek kilometrow. Teoretycznie wiec na zakresie CCIR moze byc mnostwo silnych i tez lokalnych stacji nadawczych.
Praktyka ta pozwala zrozumiec podane przez Japonskie i Zachodnie koncerny parametry odbiornikow UKF – FM. Od poczatka dekady odbiorniki japonskie maja juz mikrokontrolery i ladne  wyswietlacze m.in syntezowanej ukladem PLL czestotliwosci. Niektore maja piloty zdalnego sterowania. Konkurencja z Europy i USA troche sie spoznila.
Praktycznie wszystkie tunery maja przelaczany  tor IF WIDE czyli o szerokim pasmie i mniejszej selektywnosci dla silnych niezakloconych sygnalow lub selektywniejszy tor NARROW dla słabych i zakłoconych sygnalow.
GDT toru Wide sa mniejsze czyli mniejsza sa tez znieksztalcenia zdemodulowanego sygnalu.
Mikrokontroler sam adekwatnie przelacza pasmo toru IF  lub mozna tez wymusic akcje recznie. Gdy sygnal jest slaby i nawet w pasmie Narrow odbior Stereo bylby zaszumiony efekt Stereofoniczny  jest dodatkowo poczatkowo usuniety dla wiekszych czestotliwosci i potem tez dla srednich czestotliwosci.   

Tuner Sony ST-S444ES z 1984/85 ma selektywnosc Wide /Narrow przy 300 KHz 45/70 dB , a przy 400 KHz selektywnosc wynosi 80/90 dB.
Pasmo stereofonicznego sygnału wyjsciowego wynosi  30Hz – 15 Khz z obnizeniem  0.5dB czyli jest znakomite
Zniekształcenia przy 1 kHz wynoszą 0.005% dla mono dla 0.0095% dla stereo dla Wide i 0.04% oraz 0.07% dla Narrow. Takie same sa intermodulacje. Dla silnego sygnalu wejsciowego > 5 mV  S/N (signal to noise) wynosi kosmiczne 96 dB dla mono i 91 dB dla stereo. Parametry te wydaja sie nieprawdopodobne. Nie udaje sie wywolac intermodulacji w glowicy RF mimo uzycia niezbalansowanego mieszacza na jednym dwubramkowym Mosfecie.
W modzie Wide tor IF ma dwa filtry ceramiczne o pasmie 250 KHz dodatkowo optymalizowane dla malej GDT. 
W modzie Narrow dodano jeszcze dwa filtry ceramiczne o pasmie  180 kHz.
W torze IF uzyto "Wave Optimizer" ktore maja skompensowac  GDT filtrow ceramicznych. Sa to dwa przalaczane tranzystorami na wejsciu i wyjsciu filtry pasmowe z dwoma obwodami LC z potencjometrami osobno dla Mono ( IFT201 i ITF201 ) i Stereo (IFT202 i IFT 204 ). Alternatywnie wlaczony jest dla Narrow tor z dwoma filtrami ceramicznymi 180 KHz na wejsciu CF203  i wyjsciu CF204  i separującym wzmacniaczem Q216, Q216  miedzy nimi. 

Podobne rozwiazanie stosuja tez inni "topowi" producenci ale filtr pasmowy miewa tez jeden obwod LC. 

Wszystkie filtry ceramiczne na 10.7 MHz sa obustronnie dopasowane rezystancjami 330 Ohm i nie czesto sa laczone kaskadowo ( o tym dalej ) a rozdzielone stopniem wzmacniacza.
Filtry do zestawu filtrow cermicznych tunera sa prawdopodobnie selekcjonowane dla dopasowania.

Wedlug oznaczen japonskich, krzemowe tranzystory trzykoncowkowe maja prefiks 2S. Tranzystory bipolarne to linie  PNP to 2SA, 2SB a NPN 2SC,  2SD a polowe tranzystory JFety i Mosfety ( bez rozroznienia ) to 2SK. Dwubramkowe Mosfety to juz linia 3SK.
Przy odbiorze Mono przy S/N 26 dB potrzebny jest temu odbiornikowi Sony sygnal zaledwie 0.8 uV.
N.B. Coraz czesciej stosowany jest poziom odniesienia dBf gdzie f oznacza fempotowatt na opornosci 75 lub rzadko 50 Ohm.
W glowicy uzyto optymalnego modelu filtracji ze strojonym obwodem wejsciowym i strojonym dwuobwodowym filterem za wzmacniaczem. W stopniu wzmacniacza RF pracuje tranzystor 2SK241 narysowany jak JFet. Typ 2SK41 byl popularny u tunerach i pracowal takze  w licencyjnym odbiorniku Elizabeth. Zatem 2SK241 mozna by  uwazac za druga "2" generacje tych tranzystorow JFet. Dwubramkowy Mosfet jest mieszaczem w glowicy  i jest poprawnie narysowany. 2SK241 ma obudowe podobna do zwyklej TO92. W odbiorniku uzyto kilku JFetow 2SK246 i sa to najnormalniejsze proste JFety. Uzycie JFeta w stopniu wzmacniacza RF nie pozwolilo by jednak uzyskac takiej czulosci i odpornosci na intermodulacje.
Producent tranzystora 2SK241 Toshiba podaje ze w ukladzie testowym przy czestotliwosci 100 MHz ma on wzmocnienie az 28 dB i szumy tylko 1.7 dB. Pojemnosc zwrotna wynosi zaledwie 0.03 pF i jest taka jak dla dwubramkowego Mosfeta. Toshiba podaje poprawny symbol tego jej opatentowanego wynalazku.  

Faktycznie jest to specjalny dwubramkowy Mosfet z gorna bramka polaczona ze zrodlem. Zabiegiem technologicznym uzyskano silniejsze wlaczenie kanalu pod ta druga bramka i zachowuje sie on tak jak typowy radiowy dwubramkowy Mosfet z napieciem rzedu 3-4 V podanym do drugiej bramki !
Takich dezinformujacych informacji w dokumentacjach jest cala masa. Koncerny zreszta z pelna determinacja walcza z obowiazkiem publikacji schematow i szczegolowych dokumentacji.

Polowicznym wyjasnieniem bardzo malych znieksztalcen nieliniowych jest uzycie ( zbior filtrow ceramicznych  jest selekcjonowany ! ) filtrow ceramicznych z plaskim GDT i dodatkowe wyplaszczenie charakterystyki GDT przez filtr "Wave Optimizer". Jednak zaden ze scalonych ukladow "procesorow" IF z demodulatorem koincydencyjnym  nie ma az tak malych znieksztalcen nieliniowych i szumow.
Zastosowano demodulator z petla PLL. Poniewaz nie ma odpowiedniego scalonego ukladu petli PLL wykonano go na elementach dyskretnych i OPA. 
Na tranzystorze JFet Q271 wykonano niskoszumy generator "10.7" MHz przestrajany dioda pojemnosciowa D275. Sygnal generatora  z obwodu ITF272 podano do modulatora pierscieniowego na diodach D276..279.
Odfiltrowany i ograniczony sygnal FM filtrem FT271 podano takze do tego modulatora uzytego tu jako detektor fazy w petli PLL. Jego wyjscie podano niewielkim filtrujacym rezystorem R283 do ujemnego wejscia wzmacniacza operacyjnego IC272 (piny 1,2,3)  pracujacego jako FILTR petli PLL. Zwraca uwage uzycie rezystorow o malych wartoscich i niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego. Sygnal ze wzmacniacza bezszumnie podano do diody pojemnosciowej indukcyjnoscia L271. Mikrokontroler JFetem Q272 – 2SK246 przelacza charakterystyke filtru petli PLL.
Uklad jest pomyslowy ale nie ma tu miejsca na wchodzenie w jego szczegoly.
Zadnych cudow wiec nie ma. Demodulator FM PLL z racji wlasnosci filtrujacych ma najnizsze szumy ze znanych demodulatorow.

Produceni filtrow ceramicznych nie podaja ich elektrycznego analogu. Najlepszym sposobem postepowania  jest rekomendowane dopasowanie ich na wejsciu i wyjsciu. Gdy laczymy dwa filtry kaskadowo czyli wyjscie pierwszego ze wejsciem drugiego nalezy do GND dac w tym miejscu pojemnosc rzedu 40 pF ale  oczywiscie inna dla kazdego rodzaju filtru. Bywa stosowany trymer ceramiczny dla optymalizacji GDT.
Zreszta sa juz produkowane trzy obwodowe filtry ceramiczne o podwyzszonej selektywnosci.
Tor FM tunera wysokiej jakosci pracuje z faktyczna srodkowa czestotliwosci filtrow a nie z nominalna 10.7 MHz ! Dane o odchylce od nominalnej czestotliwosci sa w pamieci nieulotnej aby odpowiednie informacje od mikrokontrolera  otrzymal syntezer PLL.

Filtry do toru IF dzwieku FM 5.5... MHz maja rezystancje falowa dopasowania 600 Ohm ! Tutaj czestotliwosc podnosnej ustalona jest w nadajniku i nie mozna jej w odbiorniku zmienic. Stad male tolerancje czestotliwowosci filtrow ceramicznych sa tu szczegolnie wazne.

Zaleta filtrow ceramicznych pulapek na czestotliwosci nosnej dzwieku z torze Video 4.5, 5 , 5.5, 6 i 6.5 MHz jest brak strojenia. Szczytowe tlumienie nosnej fonii przekracza 35 dB a w pasmie 70 KHz przekracza 30 dB.
Uklad jest asymetryczny !

Pulapka niewiele swoim GDT znieksztalca sygnal Video co jest spora zaleta.

Inne rezonatory moga byc stosowane do scalonych demodulatorow koincydencyjnych zamiast obwodu LC. Niestety znieksztalcenia THD dochodza do 0.5-1% i mimo zalet w tej roli filtr ceramiczny nie jest polecany.
Oczywiscie nie wolno mylic filtru ceramicznego z rezonatorem ceramicznym i z ceramiczna pulapka. To sa rozne przyrzady.

Filtry ceramiczne sa tez stosowane w torze posredniej czestotliwosci AM ale wylacznie scentralizowana w Europie radiofonia AM ( nie w USA gdzie jest lokalna z mnostwem stacji ) niskiej jakosci jest przezytkiem dogasajacej Zimnej Wojny i powinna zniknac.
W identycznej roli selektywnosci filtry te na czestotliwosc 465 KHz wystepuja w radiotelefonach CB ktore sa jednak jak najbardziej pozyteczne. W radiotelefonach tych stosowana jest podwojna przemiana czestotliwosci. Gdy pierwsza czestotliwosc IF wynosi 10.7 MHz stosowany jest filtr ceramiczny do dzwieku FM.

Zwrocmy uwage ze GDT jest krytyczna takze dla kazdego sygnalu cyfrowego. Faktycznie komputerowy  Teletekst w odbiorniku TVC niezawodnie dziala tylko przy selektywnosci IF wykonanej na filtrze z fala powierzchniowa SAW o liniowej fazie z pulapka nosnej dzwieku z filtrem ceramicznym i dodatkowym ukladem polepszajacym GDT !

Zauwazmy ze filtr SAW z racji liniowej fazy jest doskonaly do kazdego toru FM. O dziwo pierwszy zastosowano juz w 1977 roku ale rozwiazanie nie zyskalo popularnosci z racji kosztu.

Jakosc dzwieku FM w tradycyjnym rozwiazania systemu IF odbiornika jest slaba. Produkowane sa podwojne filtry SAW dla telewizyjnego systemu IF. Jedno wyjscie filtru jest przeznaczone dla IF Video i podnosna foni FM jest  calkowicie stlumiona. Zatem podnosna foni nie wnosi tu zaklocen do obrazu. Drugie wyjscie filtru SAW jest dla toru IF Audio. W tej czesci filtr przepuszcza nosne Video i Audio sporo tlumiac tresc Video a szczegolnie przekaz koloru. W tym rozwiazaniu zdemodulowany dzwiek FM jest znacznie lepszej jakosci.
Na rysunku jest fragment schematu takiego dobrej klasy odbiornika. Podwojny filtr SAW otrzymuje wejsciowy sygnal symetryczny dla minimalizacji przesluchow i oslabienia selektywnosci. Jego oba wyjscia rowniez sa symetryczne.
Zdemodulowany sygnal Video podano do ceramicznej pulapki F2242 resztek nosnej fonii poprzez korekcyjny rownolegly dwojnik RC dla polepszenia odpowiedzi impulsowej i dalej do separujacego od obciazenia wtornika emiterowego. W zachodnioniemieckim systemie stereofonicznym nosna FM  dzwieku kanalow A+B ma czestotliwosc 5.5 MHz dla zachowania zgodnosci w dol w odbiornikach monofonicznych a dodana slabsza nosna kanalow A-B ma czestotliwosc 5.74 MHz. Dla obu tych nosnych zastosowano filtry ceramiczne o podwyzszonej selektywnosci. Wyjscia akustyczne z scalonych demodulatorow koincydencyjnych w ukladzie scalonym podano do dwoch aktywnych FILTROW dolnoprzepustowych z wtornikami emiterowymi w ukladzie Sallena - Keya. Do czestotliwosci okolo 10 KHz maja one charakterystyke jak deemfaza a dalej szybszy nastepuje spadek. W kolektorze dolnego wtornika dano obwod LC wydzielajacy nosna sygnalizacji dodana do sygnalu. Oba sygnaly A+B i A-B podano do ukladu scalonego matrycy sygnalow Stereo z interfejsem komunikacyjnym I2C do mikrokontrolera.

W swiecie prace na cyfrowym dzwiekiem do telewizji trwaja od polowy lat szescdziesiatych.
Brytyjska telewizja BBC2 pierwsza transmisje z systemem dzwieku  Nicam – 728 przeprowadzila  w 1986 roku. W Wielkiej Brytania podjeto decyzje o wprowadzeniu tego systemu do powszechnego uzytku co oczywiscie wymaga wczesniej odpowiedniego wyposazenia nadajnikow telewizyjnych i uruchomienia masowej produkcji dekoderow VLSI do odbiornikow telewizyjnych.  System ma publicznie zaczac funkcjonowac na poczatku przyszlej dekady. Strumien danych wynosi 728 kbit/s. Probki z kanalow stereofonicznych sa 14 bitowe i brane z czestotliwoscia 32 KHz. Near Instantaneous Companded Audio Multiplex oznacza prosta, stratna (niewiele stratna ) kompresje 14 bitowych probek do przesylanego formatu 10 bitow.  Stosowana jest radiowa modulacja fazy a binarny strumien jest wpierw skramblowany dla rozproszenia widma sygnalu. Podnosna NICAM w systemie brytyjskim jest na czestotliwosci 6.552 MHz czyli powyzej istniejacej rownoleglej starej nosnej foni FM na czestotliwosci 6 MHz.
Odpowiednie uklady scalone opracowal juz brytyjski Mullard nalezacy do Philipsa i produkujacy pod jego nazwa w jego rodzinach systemow. Demodulator pracujacy metoda Costasa ma byc / jest  bipolarny natomiast dekoder ( dostepne sa publikacje na ten temat ) wpierw z zewnetrznym przetwornikiem DAC a nastepnie oversamplingowe przetworniki DAC maja juz byc scalone w dekoderze wykonanym przyszla technologia CMOS o duzej rozdzielczosci.
Sygnal dla demodulatora Nicam  jest w ukladach eksperymentalnych  wydzielony 5 obwodowym filtrem LC ale w dojrzalych rozwiazaniach bedzie filtrem ceramicznym lub filtrem SAW o malym GDT. Odpowiednie filtry ceramiczne i SAW sa juz opracowane jako probki.
System Nicam ma rozne ujawnione wady ale jego zaleta jest to ze jest tak daleko zaawansowany i faktycznie gotowy do produkcji masowej. Jest eksperymentalnie testowany w laboratoriach w wielu krajach swiata.