Laboratorium Inżynierii Materiałowej

(1)

Laboratorium

Inżynierii Materiałowej

Katedra Optoelektroniki i Systemów

Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdaosk 2011

Ćwiczenie 1. Pomiar charakterystyk filtrów

piezoelektrycznych

(2)

Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona | 2 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska

1. Cel dwiczenia

Filtry piezoelektryczne należą do grupy selektywnych podzespołów elektrycznych, w których wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny. Filtry te wykorzystują płaskie, akustyczne fale objętościowe rozchodzące się wewnątrz materiału rezonatora, lub płaskie, akustyczne fale powierzchniowe rozchodzące się wzdłuż swobodnej powierzchni na granicy ośrodków rezonator / powietrze. Fale te mogą przemieszczad się po powierzchni i są silnie tłumione w kierunku do wnętrza rezonatora. Granica rozdziałów ośrodków pełni tu, zatem funkcję prowadnicy fali powierzchniowej. Przez analogię do elektroniki półprzewodnikowej takie filtry można nazwad piezoelektrycznymi filtrami scalonymi. Coraz częściej zastępują one filtry cewkowo – kondensatorowe i klasyczne filtry kwarcowe.

Ze względu na sposób rozchodzenia się drgao w elementach piezoelektrycznych filtry można podzielid na dwie zasadnicze grupy.

Do pierwszej należą filtry, w których stosowane są rezonatory z drganiami objętościowymi.

Filtry takie mogą zawierad rezonatory dyskretne, lub rezonatory ze sprzężeniami akustycznymi, wykonane z jednej płytki piezoelektrycznej. Istnienie sprzężeo akustycznych między rezonatorami wykonywanymi na jednym podłożu możliwe jest dzięki występowaniu zjawiska pułapkowania energii. Filtry, w których stosuje się takie rezonatory nazywane są filtrami monolitycznymi.

Do drugiej grupy zaliczane są filtry z akustyczną falą powierzchniową. Można je podzielid na dwie klasy: filtry transwersalne i filtry rezonansowe. Charakterystyczną cechą filtrów transwersalnych jest niezależnośd charakterystyk fazowych i amplitudowych. Mogą one realizowad zarówno funkcję opóźnienia w czasie jak i funkcję filtracji częstotliwości. Filtry rezonansowe wykorzystują rezonatory z akustyczną falą powierzchniową. Ich struktura elektryczna jest podobna do struktury filtrów z rezonatorami dyskretnymi.

W filtrach piezoelektrycznych jako materiału piezoelektrycznego używa się głównie monokryształów kwarcu, niobianu litu, tantalanu litu oraz ceramiki piezoelektrycznej. Spośród

(3)

różnych materiałów ceramicznych najlepszymi parametrami piezoelektrycznymi charakteryzują się kompozycje ceramiczne systemu PZT będące roztworami stałymi cyrkonianu ołowiu (PbZrO₃) i tytanianu ołowiu (PbTiO3). Są to ceramiki typu perowskitu, zawierające w swej strukturze krystalicznej typowy oktaedron tlenowy. Poniżej temperatury Curie, która w zależności od kompozycji wynosi od stu kilkudziesięciu do dwustu kilkudziesięciu ^oC, ich regularna struktura krystaliczna deformuje się tworząc anizotopowe struktury ferroelektryczne. Struktury te wykazują także właściwości piezoelektryczne. Poważną zaletą ceramiki PZT jest stosunkowo prosta technologia wytwarzania, a w związku z tym niższa cena filtrów.

2. Podstawowe parametry filtrów piezoelektrycznych

Zdolnośd transmisji filtrów piezoelektrycznych (podobnie jak filtrów innych typów) w normalnych warunkach pracy, z uwzględnieniem zarówno własności samego filtru jak i wpływu strat spowodowanych niedopasowaniem filtru do obwodów zewnętrznych, opisują pojęcia tamowności wtrąceniowej , tłumienności wtrąceniowej A i przesuwności wtrąceniowej B związanych zaleznością:

= A + jB

(1)

Tamownośd wtrąceniowa definiowana jest wzorem:

(dB) = 10 log

2 2 0

P

P (2)

gdzie: P20 jest zespoloną mocą dysponowaną źródła, jaką mogłoby ono wydzielid w bezpośrednio dołączonej impedancji obciążenia Z2 (rys.1a), P2 jest mocą zespoloną jaką źródło wydziela na tej samej impedancji przywłączonym filtrze (rys.1b).

(4)

Rys.1. Pomiar tamowności wtrąceniowej filtru.

a) układ odniesienia,

b) układ do pomiaru w normalnych warunkach pracy.

Częśd rzeczywista tamowności, czyli tłumiennośd wtrąceniowa A decyduje o charakterystyce amplitudowej filtru, a częśd urojona, czyli przesuwnośd B określa zmianę fazy sygnału spowodowaną włączeniem filtru piezoelektrycznego. W przypadku, gdy: Zˆ1 R1 i Zˆ2 R2, tłumiennośd wtrąceniową filtru wyrazid można wzorem:

2 2 1

2 2

20

) log (

20 log

10 ]

[ R R U

ER P

dB P

A

(3)

Zależnośd tę często przedstawia się w postaci:

2 2 1

log 2

20 R

R A R

A

(4.1)

gdzie:

2

log

20 U

A E

(4.2)

a) b)

(5)

Rozróżnia się dwie metody pomiaru tłumienności: bezpośrednią i pośrednią. Pierwsza metoda oparta jest na definicji tłumienności (wzór 3) w układzie zawierającym generator sygnału, badany filtr i miernik poziomu (mierzący napięcie na obciążeniu R2, rys1b).

Druga metoda polega na pomiarze A (wzór 4.2) za pomocą wzorcowego tłumika dekadowego.

Mierząc A przy różnych częstotliwościach sygnału generatora otrzymuje się charakterystykę amplitudową filtru. W praktyce, dla jej otrzymania stosuje się zestaw wobulatorowy, składający się z generatora przemiatającego i analizatora widma. Umożliwia on zaobserwowanie charakterystyk filtru na ekranie, w różnych zakresach częstotliwości.

Na rys. 2 przedstawiono typową charakterystykę tłumienności filtru środkowoprzepustowego.

a) b)

Rys. 2. Parametry charakterystyki tłumienności filtru: a) środkowoprzepustowego, b) środkowozaporowego.

(6)

Wyróżnia się następujące główne parametry charakterystyki tłumienności (rys.2):

minimalną tłumiennośd w pasie przepustowym A0 ( w wymaganiach technicznych zazwyczaj podaje się dopuszczalną maksymalną wartośd tej tłumienności),

częstotliwości kraocowe pasma przepustowego f ±p, względnie pasma tłumieniowego f±t, przy których tłumiennośd wtrąceniowa względna Aw = A – A0 osiąga wymaganą wartośd A’ (zwykle 3, 6, 40, 60, 70, 80 lub 90 dB),

częstotliwośd środkową fo równą średniej geometrycznej częstotliwości kraocowych,

p p

o

f f

f

_,

szerokośd pasma przepustowego fp (tylko dla filtrów środkowoprzepustowych), równą przedziałowi częstotliwości, dla których względna tłumiennośd Aw nie przekracza żądanej wartości A’ (jest to więc różnica częstotliwości kraocowych),

współczynnik prostokątności K, równy stosunkowi dwóch szerokości pasm fp1 i fp2 (lub ft1

i ft2), dla dwóch różnych wartości tłumiennościwzględnej Aw.

Należy zwrócid uwagę, że dla prawidłowej pracy filtru muszą byd spełnione określone warunki, przede wszystkim:

obciążenie filtru właściwymi rezystancjami,

zmniejszenie do minimum pasożytniczego sprzężenia między wejściem a wyjściem filtru, nieprzekraczanie dopuszczalnej wartości poziomu mocy, napięcia lub prądu sygnału

wejściowego.

3. Pomiary parametrów filtrów piezoelektrycznych

Celem dwiczenia jest pomiar metodą bezpośrednią charakterystyki amplitudowej filtrów piezoelektrycznych oraz zbadanie wpływu niedopasowania na kształt charakterystyki.

Zasadę pomiaru ilustruje rys.1b oraz rys 3.

(7)

Rys.3. Układ laboratoryjny do badania charakterystyki amplitudowej filtrów ceramicznych.

W zestawie laboratoryjnym znajduje się pięd filtrów piezoelektrycznych, obciążonych po stronie wejścia rezystorem R1, a po stronie wyjścia rezystorem R2. Każdy z rezystorów R1 i R2 może przyjąd jedną z trzech wartości rezystancji podanych w tabeli 1. Zwora Z (przycisk) służy do bezpośredniego połączenia wejścia filtru z jego wyjściem.

Do pomiaru parametrów filtrów zastosowano analizator widma z generatorem przemiatającym Instek GSP-810. Przyrząd ten posiada wyświetlacz lampowy do prezentacji widm oraz wyświetlacz LCD i klawiaturę do komunikacji z użytkownikiem.

Do włączenia przyrządu służy przycisk „POWER” na płycie czołowej. Po uruchomieniu należy wcisnąd sekwencyjnie klawisze „Shift” i „TRK GEN” celem aktywacji menu obsługującego generator przemiatający. Etykieta „TRK GEN” pokazuje status generatora. Po uaktywnieniu pola opisanego tą etykietą, klawisz umożliwia włączenie i wyłączenie generatora przemiatającego. Aby ustawid poziom sygnału z generatora należy za pomocą pokrętła obrotowego przejśd do dolnej linii menu, do pola opisanego etykietą „LEVEL”. W sąsiednim polu, nie oznaczonym żadną etykietą, należy ustawid wartośd przesunięcia częstotliwości początkowej na 0 kHz.

(8)

Przycisk „CENTER” pozwala na wejście do pola oznaczonego taką samą etykietą, co umożliwia wybranie częstotliwości odpowiadającej środkowemu punktowi wyświetlacza.

Ustawienia dokonuje się za pomocą przycisków i oraz pokrętła obrotowego. Przycisk „SPAN”

umożliwia aktywację w menu pola odpowiadającego za prezentowany na ekranie zakres częstotliwości. Za pomocą pokrętła obrotowego ustala ilośd Hz odpowiadającej jednej działce w poziomie. Pole „RBW” przedstawia rozdzielczośd częstotliwości. Pole „REF LVL” opisuje najwyższej wyświetlaną wartośd poziomu sygnału. Zmian wartości w tych polach , po ich aktywacji, dokonuje się za pomocą pokrętła obrotowego.

Do odczytu przebiegu zarejestrowanych widm służą dwa kursory pionowe :

standardowe; osiągalne po naciśnięciu przycisku „MKR”; na wyświetlaczu LCD podawane jest położenie kursorów 1 i 2 (w jednostkach częstotliwości) i poziom sygnału w dBm;

różnicowe; osiągalne po naciśnięciu przycisku „ MKR”; na wyświetlaczu LCD podawane jest położenie kursorów 1 i 2 i poziom sygnału w dBm odpowiadający kursorowi 1, natomiast w przypadku kursora 2 podawana jest różnica w poziomie sygnałów dla obu zaznaczonych częstotliwości.

Dla obydwu typów znaczników, wyboru kursora dokonuje się za pomocą pokrętła obrotowego lub klawisza „ENTER”, a przesunięcia kursora za pomocą przycisków i (pozycja) i pokrętła obrotowego.

Wciśnięcie sekwencyjne klawiszy „SHIFT” i „MKR” powoduje przesunięcie kursora 1 do najbliższego maksimum (funkcja PK->MKR), natomiast wciśnięcie sekwencyjne klawiszy „SHIFT” i

„ MKR” powoduje przyjęcie aktualnego położenia kursora 1 za nową częstotliwośd środkowej (funkcja MKR->CF).

Dwiczenie polega na ustaleniu poziomu sygnału wejściowego filtru na zadanym poziomie i pomiarze jego charakterystyki widmowej dla wszystkich kombinacji wartości R1 i R2. Zakresy częstotliwości, w których należy mierzyd charakterystykę filtrów podano w tabeli.

(9)

4. Przebieg dwiczenia

1. Połączyd układ pomiarowy. Sygnał z generatora należy ustalid na poziomie 0 dBm.

2. Odłączyd wszystkie filtry i ustawid kombinację R1 = 0 , R2 = . Wcisnąd zworę i zmierzyd wartośd P20.

3. Wykorzystując kursory, zdjąd charakterystyki widmowe P₂(f) w dla wybranych filtrów oraz wartości R1 i R2. Wykorzystując kursory różnicowe określid szerokośd pasm 3dB, 6 dB i 21 dB.

4. Powtórzyd powyższe czynności dla poziomu sygnału z generatora –20dBm.

Pomiary należy przeprowadzid bardzo starannie. Częstotliwośd należy zmieniad tak, aby uwidocznid wszystkie zafalowania charakterystyki amplitudowej, wszystkie lokalne ekstrema.

5. Opracowanie

1. W oparciu o dokonane pomiary należy obliczyd (ze wzoru 3) i wykreślid charakterystyki tłumienności wtrąceniowej A(f). Należy zwrócid uwagę, że obliczając (ze wzoru 3) tłumiennośd A, należy do wartości rezystancji R1 obciążającej filtr (rys.1 i 3) dodad rezystancję wyjściową generatora Rg = 75.

2. Na podstawie otrzymanych wyników należy określid:

minimalną tłumiennośd A0 w paśmie przepustowym,

kraocowe częstotliwości pasma przepustowego f ±p, dla których względna tłumiennośd wtrąceniowa Aw = A – A0 = 3 dB ( w przypadku silnego zafalowania przyjąd 6 dB),

częstotliwośd środkową fo oraz szerokośd fp pasma przepustowego,

współczynnik prostokątności K dla dwóch wartości tłumienności względnej Aw1 = A’ – A0 = 3 dB oraz

Aw2 = A’’ – A0 = 21 dB,

3. Przedyskutowad wpływ niedopasowania na charakterystyki tłumienności wtrąceniowej.

4. Skomentowad wpływ poziomu sygnału z generatora na kształt otrzymanych widm.

(10)

Literatura

1. W. Soluch – Filtry piezoelektryczne. WkiŁ, Warszawa 1982.

2. G. Temes, S. Mitra – Teoria i projektowanie filtrów, WNT, WWA 1978.

nr filtru

typ Zakres częstotliwości

1 SFE 10,7M

podwójny

10,5 MHz 10,9 MHz

2 SFE 5,5M 5,2 MHz 5,7 MHz

3 CDA 5,5M 5,2 MHz 5,7 MHz

4 SFE 5,5M

podwójny

5,2 MHz 5,7 MHz

5 SFE 10,7M 10,5 MHz 10,9 MHz