Filtro De Cristal De Cuarzo - Factor De Forma Y Parámetros De Diseño Del Filtro

Los cristales de cuarzo pueden utilizarse para formar la base de un filtro de paso de banda de cristal de muy alto rendimiento. Estos filtros de cristal de cuarzo se utilizan en aplicaciones como receptores y transmisores de radio de alto rendimiento.

Los filtros de cristal de cuarzo son capaces de proporcionar un rendimiento superior a la mayoría de los otros tipos de filtro y, como tal, encuentran usos en una variedad de áreas.

Hoy en día, los filtros de cristal de cuarzo pueden diseñarse con bandas de paso que van desde frecuencias en la región de los kilohercios hasta muchos Megahercios - con la última tecnología esto puede llegar a 100 MHz y más. Sin embargo, para obtener el mejor rendimiento y los costes más bajos, la banda de paso del filtro se suele mantener por debajo de unos 30 MHz.

Parámetros del filtro de cristal de cuarzo

Hay dos áreas principales de interés para un filtro, la banda de paso donde acepta las señales y las deja pasar, y la banda de parada donde las rechaza. En un mundo ideal, un filtro tendría una respuesta como la que se muestra a continuación.

Aquí se puede ver que hay una transición inmediata entre la banda de paso y la banda de parada. Además, en la banda de paso el filtro no introduce ninguna pérdida y en la banda de parada no deja pasar ninguna señal.

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En la realidad no es posible realizar un filtro con estas características y una respuesta típica más parecida a la que se muestra en la figura 3. En el diagrama es bastante obvio que hay una serie de diferencias.

La primera es que hay cierta pérdida en la banda de paso. En segundo lugar, la respuesta no cae infinitamente rápido. En tercer lugar, la atenuación de la banda de parada no es infinita, aunque sea muy grande. Por último, hay que tener en cuenta que hay un poco de ondulación en la banda.

En la mayoría de los filtros, la atenuación en la banda de paso suele ser relativamente pequeña. Para un filtro de cristal típico, las cifras de 2 a 3 dB son bastante típicas. Sin embargo, se ha comprobado que los filtros de banda muy estrecha, como los que se utilizan para la recepción de Morse, pueden tener una atenuación mayor.

Afortunadamente es bastante fácil contrarrestar esta pérdida simplemente añadiendo un poco de amplificación extra en las etapas de frecuencia intermedia y este factor no se cita como parte de la especificación del receptor.

Se puede ver que la respuesta del filtro no cae infinitamente rápido, y es necesario definir los puntos entre los que se encuentra la banda de paso. En el caso de los receptores, se considera que la banda de paso es el ancho de banda entre los puntos en los que la respuesta ha caído 6 dB, es decir, donde está 6 dB abajo o -6 dB.

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También se define una banda de parada. Para la mayoría de los filtros de receptor se considera que comienza en el punto en el que la respuesta ha caído 60 dB, aunque hay que comprobar las especificaciones del filtro, ya que algunos filtros pueden no ser tan buenos. A veces, un filtro puede tener la banda de parada definida para una atenuación de 50 dB en lugar de 60 dB.

Factor de forma

Se puede observar que es muy importante que el filtro alcance su nivel final de rechazo lo más rápidamente posible una vez fuera de la banda de paso. En otras palabras, la respuesta debe caer lo más rápidamente posible. Para medir esto, se utiliza una cifra conocida como factor de forma. Se trata simplemente de una relación entre los anchos de banda de la banda de paso y de la banda de parada.

Así, un filtro con una banda de paso de 3 kHz a -6dB y una cifra de 6 kHz a -60 dB para la banda de parada tendría un factor de forma de 2:1. Para que esta cifra tenga un significado real, las dos cifras de atenuación también deben citarse. En consecuencia, la especificación del factor de forma completo debería ser 2:1 a 6/60 dB.

Parámetros de diseño del filtro de cristal de cuarzo

Cuando se diseña un filtro de cristal de cuarzo hay que tener en cuenta factores como la impedancia de entrada y salida, así como el ancho de banda, el Q del cristal y muchos otros factores.

Algunos de los principales factores son, obviamente, el ancho de banda, el hecho de la forma y el corte final. Aunque es una simplificación, estos factores dependen del número de polos (equivalente al número de cristales), su valor Q y sus frecuencias individuales.

Otros factores, como el ancho de banda máximo que se puede alcanzar, están controlados por la impedancia del filtro y también por las respuestas espurias que están presentes en los elementos individuales de cristal de cuarzo. La ubicación de las respuestas importantes para los filtros de cristal de cuarzo puede controlarse mediante el tamaño de las placas depositadas en los cristales.

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Al hacerlas más pequeñas, las respuestas también se vuelven menos críticas. El lado negativo de esto es que la impedancia del filtro de cristal de cuarzo en general aumenta. Esto significa que el filtro de cristal de cuarzo necesitará transformadores de impedancia en la entrada y en la salida. Obviamente, esto debe evitarse si es posible, pero para los filtros de banda ancha es a menudo la única opción.

Los filtros de cristal de cuarzo son capaces de proporcionar niveles de rendimiento que la mayoría de las otras formas de filtro de paso de banda son incapaces de lograr. Sin embargo, su uso suele limitarse a aplicaciones profesionales y semiprofesionales. Los receptores y transmisores de radio de alto rendimiento en los que la selectividad es de suma importancia son los usos clave de estos filtros.

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