DE2634352A1 - Elektromechanisches filter - Google Patents

Elektromechanisches filter

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DE2634352A1
DE2634352A1 DE19762634352 DE2634352A DE2634352A1 DE 2634352 A1 DE2634352 A1 DE 2634352A1 DE 19762634352 DE19762634352 DE 19762634352 DE 2634352 A DE2634352 A DE 2634352A DE 2634352 A1 DE2634352 A1 DE 2634352A1
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circuit
gyrator
capacitance
electromechanical
filter
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DE19762634352
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Hans Albsmeier
Ernst Koob
Friedrich Dipl Ing Kuenemund
Johann Magerl
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/54Modifications of networks to reduce influence of variations of temperature
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
    • H03H11/04Frequency selective two-port networks
    • H03H11/08Frequency selective two-port networks using gyrators

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  • Networks Using Active Elements (AREA)

Description

  • Elektromechanisches Filter
  • Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter mit eingangs- und ausgangsseitig angeordneten und mit elektromechanischen Wandlern versehenen mechanischen Resonatoren, deren Wandlerelektroden an elektrische Endkreise angeschlossen sind.
  • Elektromechanische Filter haben zur Lösung vieler Aufgaben der Filtertechnik hunter anderem insofern eine große praktische Bedeutung erlangt, als sie bekanntlich den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern sowohl hinsichtlich des Raumverbrauchs als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften, vor allem der Güte ihrer Resonanzelemente zum Teil erheblich überlegen sind, Für den Einsatz in miniaturisierten Schaltungen, in denen auch die Filter ein möglichst kleines Volumen haben sollen, haben sich insbesondere elektromechanische Filter mit Biegeresonatoren als Resonanzelemente und Längsschwingungen ausführenden Koppelelementen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift-1 922 550 bekannt sind, gut bewährt. Bei solchen mechanischen Filtern werden die Eingangs- und Ausgangskreise als elektrische, d.h. als LC-Schwingkreise aufgebaut. Als Schwingkreiskapazitäten werden dabei im allgemeinen die durch elektrostriktive Wandler gebildeten statischen Wandlerkapazitäten der im Filter enthaltenen Verbundresonatoren verwendet, während die Schwingkreisinduktivitäten durch zugeschaltete Spulen dargestellt sind.
  • Durch die Endkreise sollen u.a. snsbesondere für Filter mittlerer und großer Bandbreite störend in Erscheinung tretende Neben- und Oberschwingungen des mechanischen Filtersystems unterdrückt werden. Gleichzeitig soll durch diese Endkreise jedoch auch ein insbesondere für die Refilisierung breitbandiger Filter mit geringer Grunddämpfung erforderlicher ausreichend kleiner Wert des elektromechanischen Kopplungsfaktors K erzielt werden.
  • Außer einem kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor K lerd bei einer Vielzahl von Filteranwendungen eine besonders hohe Temperaturkonstanz der Filterkurve gefordert. Da jedoch die statischen Wandlerkapazitäten von gebräuchlichen piezoelektrischen Wandlern im allgemeinen mit einem relativ großen Temperatura koeffizienten behaftet sind, ergibt sich für nicht durch-beson dere Maßnahmen temperaturkompensierte elektrische Endkreise ein unerwünscht großer Frequenz-Temperaturkoeffizient.
  • Da Spulen mit ausreichend großem, zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Wandlerkapazität, geeigneten Temperaturkoeffizienten nicht verfügbar si.nd, besteht eine naheliegende und bekannte Lösung des vorstehend erläuterten Problems darin, der Endkreisspule L1 einen Kondensator Cz parallel zuzuschalten, welcher einen dem Temperaturkoeffizienten der Wandlerkapazität Co gegenläufigen Temperaturkoeffizienten hat. Eine solche Schaltung ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt, in der weiterhin das eigentliche electromechanische Filter mit dem Bezugszeichen F versehen und der elektrische Eingangskreis durch die Serienschaltung aus einem Generator Q und einem Äbschlußwiderstand R abgeschlossen ist.
  • Nachteilig ist jedoch eine durch diese Methode der Temperaturkompensation bedingte erhebliche Verkleinerung des wirksamen elektromechanischen Kopplungsfaktors K, wie aus der folgenden Gleichung K'² = K² # Co = K² # Co Co+Cz C' ohne weiteres zu erkennen ist. Durch diese Reduzierung des Wertes für den elektromechaiiiscllen Koppliingsfaktor K wird wiederum die Breit11lndigkeit verringert oder es ist für eine bestimmte Filterbandbreite ein höherer Ausgt9ngswert von K nötig, was wiederum die Grunddämpfung zusätzlich erhöht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend erwähnten Schwieriglteiten abzuhelfen und für ein elektromechanisches Filter eine Lösung anzugeben, durch die für die elektrischen Endkreise des Filters eine hohe Konstanz des Frequenz-Temperaturkoeffizienten erreicht und dabei eine Verringerung des elektromechanischen Kopplungsfaktors gleichzeitig vermieden wird.
  • Ausgehend von einem elektromechanischen Filter mit eingangs-und ausgangsseitig angeordneten und mit elektromechanischen Wandlern versehenen mechanischen Resonatoren, deren Wandlerelektroden an elektrische Endkreise angeschlossen sind,wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Endkreiskapazität jeweils die statische Wandlerkapazität eines der elektromechanischen Wandler vorgesehen ist, daß als Endkreisinduktivität jeweils eine durch ene Kapazität abgeschlossene Gyratorschaltung vorgesehen ist, und daß die Temperaturkoeflizienten der Kapazität und/oder des Gyrationsfaktors G der Gyratorschaltung so gewählt sind, daß die Eniireisinduktivität einen den Temperaturkoeffizienten der statischen Wandlerkapazität entgegengesetzt gleichen Temperaturkoeffizienten aufweist.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich dadurch, daß die Gyratoren in die Integration der angrenzenden Funktionseinheiten einbezogen werden können.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Gyratorschaltung als parallel zu den Wandleranschlüssen liegende Zweipolsehaltung ausgebildet ist und damit parallel zum Filtereingang liegt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgesta'ltlulg der Erfindung besteht darin, daß die Gyratorschaltung als eine in Kettenschaltung zum Filter in die elektrischen Endkreise einbezogene Vierpolschaltung ausgebildet ist. In diesem Falle ist es zweckmäßig, den Abschlußwiderstand R des elektrischen Endkreises parallel zu den filterseitigen Gyratoranschlüssen zu schalten und die Kapazität C zur Potentialtrennung in Serie zu einem der dem Filter abgewandten Gyratoranschlüsse zu schalten.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren noch näher erläutert.
  • In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine bereits erläuterte Schaltung, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die Gyratorschaltung als Zweipol parallel zum Filtereingang liegt, Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Schaltung, bei der die Gyratorschaltung als Vierpol in Kettenschaltung zum Filter liegt, Fig. 4 eine Ausbildungsmöglichkeit der Gyratorschaltung mit spannungsgesteuerten Stromquellen (Y-Gyrator).
  • Die in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung, bei der funktionsgleiche Schaltelemente übereinstimmend mit der Fig. 1 bezeichnet sind, enthält eine als Zweipol ausgebildete, mit einer Kapazität C abgeschlossene und mit ihren Eingangsklemmen parallel zum Eingang eines elektromechanischen Filters F liegende Gyratorschaltung GS, durch die die Endkreisspule L1 der Fig. 1 ersetzt ist. Es liegt damit parallel zur s-tatischen Wandlerkapazität CO des Eingangswandlers eine als Induktivität L wirkende Schaltung, deren Xnduk-tivit-tswert 1 der Beziehung l=G2 c geliügt, wobei G der Gyrationsfaktor der Gyratorschaltung GS und c der Kapazitätswert der Kapazität C bedeuten. Da sowohl der Gyrationsfaktor G als auch die Kapazität C hinsichtlich ihres Temperaturkoeffizienten beeinflußbar bzw, vorwählbar sind, ist es nun möglich, gemäß der Erfindung dem Induktivitätswert 1 einen der Wandierkapazität entgegengesetzt gleichen Temperaturkoeffizienten zu geben, so daß der Temperaturkoeffizient des gesamten spulenlosen Endkreises einen vernachlässigbar kleinen Wert annimmt.
  • Gemäß der Erfindung kann nun die Kompensation entweder durch einen Kondensator C mit entsprechend gewähltem Temperaturkoeffizienten und eine zusätzliche entsprechende Beeinflussung des Gyrationsfaktors G der Gyratorschaltung GS erreicht werden oder durch lediglich eine dieser beiden Maßnahmen.
  • Die hier aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich anhand eines elektrischen Filtereingangskreises erläuterte erfindungsgemäße Temperaturkompensation läßt sich in gleicher Weise auch an einem elektrischen Filterausgangskreis vornehmen.
  • Während in der Fig. 2 der Gyrator als Zweipol parallel zum Fil--tereiI aAlg liegt, zeigt die Fig. 3 eine weitere erfidungsgemäße Schaltung, bei der die Gyratorschaltung GS als Vierpol in Kettenschaltung zum Filter liegt.
  • Der Abschlußwiderstand R liegt hicr zweckmäßigerweise parallel zum filterseitigen Gyratorausgang, während der Kondensator C zur Potentialtrennung dem dem Filter abgewandten Gyratoreingang in Serie zu dem Generator Q vorgeschaltet ist. Auch bei dieser Schaltung kann die Temperaturkompensation sowohl alleine durch den Kondensator C oder die Gyratorschaltung GS als auch durch Kondensator und Gyratorschaltung gern eins am vorgenommen werden.
  • In der Fig. 4 ist zur Erläuterung der Erfindung ein Schaltbild eines erfindungsgemäß aufgebauten Parallelschwingkrei.ses mit einer aus einem kapazitiv abgeschlossenen Gyrator gebildeten Inddcti-rität angegeben.
  • Das Schaltbild enthält die weiterhin zueinander parallelgeschalteten und einseitig geerdeten Schaltelemente Cp und Rp, und anstelle der zu ersetzenden Spule eine beispielsweise durch spannungsgesteuerte Stromquellen realisierte Gyratorschaltung GS, die durch eine Kapazität C abgeschlossen ist.
  • Es entspricht bei diesem Schaltbild also die Gyratorschaltung GS mit der Kapazität C einer parallel zum Kondensator Cp geschalteten Spule, deren Temperaturkoeffizient sich nunmehr durch die geeignete Wahl der Temperaturkoeffizienten des Gyrationsfaktors G der Gyratorschaltung und der Kapazität C derart beeinflussen läßt, daß der Temperaturkoeffizient des Kondensators Cp ausreichend genau kompensiert wird.
  • Ersetzt man diesen Kondensator Cp durch die Kapazität CO des elektromechanischen Wandlers, so ergibt sich nunmehr das Schaltbild der erfindungsgemäßen Temperaturkompensation eines Endkreises durch eine Gyratorschaltung.
  • Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Realisierungsbeispiel handelt es sich um einen Y-Gyrator mit spannungsgesteuerten Stromquellen. Für den Gyrationsfaktor G gilt in diesem Fall die folgende Beziehung wenn Y12 und Y21 Ubertragungsadmittanzen Ser spannungsgesteuerten Stromquellen sind.
  • Es sind jedoch auch andere Tyren von Gyratorschaltungen, beispielsweise Z-Gyratoren mit stromgesteuerten Spannungsquellen geeignet für die erfindungsgemäße Kompensation der elektrischen Endkreise von mechanischen Filtern.
  • 5 Patentansprüche 4 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Elektromechanisches Filter mit eingangs- und ausgangsseitig angeordneten und mit elektromechaniSchen Wandlern versehenen mechanischen Resonatoren, deren Wandlerelelctroden aul elektrische Endkreise angeschlossen sind, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als End,reiskapazität jeweils die statische Wandlerkapazität (CO) eines der elektromechanischen Wandler vorgesehen ist, daß als Endkreisinduktivität jeweils eine durch eine Kapazität (C) abgeschlossene Gyratorschaltung (GS) vorgesehen ist, und daß die Temperaturkoeffizienten der Kapazität (c) und/oder des GyrationsSaktors G der Gyratorschaltung (GS) so gewählt sind, daß die Endkrnisinduittivität einen dem Temperaturkoef£izienten der statischen Wandlerkapazität(C0) entgegengesetzt . gleichen Temperaturkoeffizienten aufweist.
  2. 2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gyratorschaltung (GS) als parallel zu den Wandleranschlüssen liegende Zweipolschaltung ausgebildet ist.
  3. 3. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gyratorschaltung (GS) als eine in Kettenschaltung zum Filter in die elektrischen Endkreise einbezogene Vierpolschaltung ausgebildet Ist,
  4. 4. Elektromechanisches Filter nach einem der Anspruche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gyratorschaltung (GS) als Y-Gyrator mit spannungsgesteuerten Stromquellen ausgebildet ist.
  5. 5. Elektroiechanisches Filter nach einem der Anspruche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t, daß die Gyratorschaltung (GS) als Z-Gyrator mit stromgesteuerten Spannungsquellen ausgebildet ist.
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