CH624802A5

CH624802A5 -

Info

Publication number: CH624802A5
Application number: CH791678A
Authority: CH
Inventors: Paul Bouchou; Claude Nigoghossian; Guy Sillioc
Original assignee: Cepe
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1981-08-14
Also published as: FR2398413B1; CA1112727A; JPS5459860A; FR2398413A1; US4205284A; GB2001498A; DE2832168A1; GB2001498B; NL7807714A; DE2832168C2

Description

L'invention fait appel, dans son principe, à la mise en œuvre Ces deux bras sont connectés ensemble à leur autre extré-

de transformateurs, associés aux cristaux dont les auto-induc- mité, par la connexion commune 8, qui constitue l'élément de tances équivalentes dans le filtre seraient difficiles ou impossi- 15 sortie du filtre, raccordé à la borne de sortie 3, qui représente,

bles à réaliser. avec la borne «masse» 4, les bornes 3 et 4 de sortie S du quadri-

Par un choix convenable du rapport m de transformation, il pole filtre.

est ainsi possible dans chaque cas, de substituer à un cristal Le fonctionnement d'un tel filtre est le suivant: lorqu'on d'auto-inductance L un cristal d auto-inductance L'tel que ces applique aux bornes d'entrée E un signal électrique alternatif de valeurs soient sensiblement reliée par la relation: 20 fréquence croissante, chaque bras présentera une variation d'impédance différente en fonction de la fréquence du signal

L' _ 2 appliqué. Or les deux bras sont connectés en parallèle. Le filtre

L ~ m ne transmettra que les fréquences qui provoquent, pour les impédances respectives des deux bras, des valeurs de signes con-25 traires, et de grandeurs différentes; par contre, les fréquences

,. ,, ... , . qui déterminent l'égalité des grandeurs des impédances des

L invention, bien que d une utilisation pratique dans un do- î , t i

, ... ,, ^ .' _ , . . . deux bras s annuleront a Ja sortie du filtre.

marne de filtres electriques etendu, est particulièrement avanta- .. . . .... ... . , , ,

, , , . Ainsi est justifiee la désignation, sous le nom de transforma-

yeuse dans le cas des filtres connus sous le nom de filtres du type J. . 0 ^ „ .

^ , ... , . , ^ c . . „ teur différentiel, du transformateur Tid entree, qui a effective-

JAUMANN, et repondant a une fonction de transfert du type „ ^ ^ • j

* 30 ment pour fonction de permettre la mise en œuvre de dirfe-

CAUER-TCHEBISHEF. Ces types de filtres ont une structure y . «;

. „ , . rences de signaux dans les deux bras du filtre.

qui peut se ramener a celle d ensembles de cristaux, inclus dans °

plusieur branches de circuits parallèles, dont les extrémités sont I] est à remarquer que, bien que le description soit faite dans connectées à des transformateurs d'entrée et de sortie. le cas d'un filtre du type JAUMANN, l'invention trouve un

C'est la difficulté de réalisation de certains des cristaux né- champ d'application beaucoup plus large, car la plupart des fil-

cessaires pour satisfaire à certaines valeurs d'auto-inductance très électriques connus dans le domaine technique concerné,

qui limite habituellement les performances de ces filtres; l'in- notamment les «filtres en treillis», peuvent être transformés en vention, qui remédie à ces difficultés, permet ainsi d'obtenir des filtres équivalents du type JAUMANN. Il est également à noter filtres, de type CAUER-TCHEBISHEF par exemple, de per- que le filtre représenté sur la figure 1 ne comporte que trois formances très améliorées et de coût de fabrication plus réduit. cristaux, ce qui conduit à une bande de transmission dont la

Plus précisément, l'invention se rapporte à un filtre électri- courbe d'amplitude en fonction de la fréquence, présente des que de fréquence, comportant deux bornes d'entrée et deux flancs latéraux notablement éloignés de la verticale ; pour obte-

bornes de sortie, pour l'introduction et l'extraction respectives nir des flancs plus raides, on est amené soit à multiplier les filtres d'une tension électrique alternative, de fréquence comprise dans «en cascade», avec tous les inconvénients de complication et de des bandes respectives données, les bornes d'entrée alimentant ^ prix qui en résultent, soit à multiplier les branches et les cristaux un transformateur différentiel dont les deux enroulements ont d'un filtre du type JAUMANN, avec des valeurs d'auto-induc-

une extrémité commune maintenue à un potentiel fixe, leur tance très différentes, difficiles, voire impossibles à réaliser; on deux parties séparées étant reliées, suivant deux bras, à deux considère, dans le cas général, qu'un tel filtre à six quartz consti-

ensembles de cristaux piézoélectriques connectés en parallèle, tue une limite pratique.

les deux bras étant reliés par des moyens de raccordement aux La figure 2 représente un filtre de fréquence à cristaux selon deux bornes de sortie, caractérisé en ce que l'un au moins des l'invention, de même type de celui de la figure 1. Selon l'inven-

cristaux piézoélectriques est inséré dans l'un des bras par Tinter- tion, un des cristaux X, de cette figure, qui suivant l'art connu médiaire d'un transformateur. aurait dû avoir une auto-inductance équivalente L[ très difficile

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci- à réaliser, est remplacé par un cristal X' l d'auto-inductance L',

après, en s'appuyant sur les figures annexées, où: S5 facile à obtenir, associé à un transformateur d'impédance T2, de

— la figure 1 représente un filtre de type JAUMANN selon rapport commun m. La transformation d'impédance est alors l'art connu, réalisée si la relation ci-après est satisfaite:

— la figure 2 représente un filtre du type JAUMANN à trois cristaux selon l'invention, ——- =m2

- les figures 3,4 et 5 des variantes de réalisation de filtres de *-i type JAUMANN selop l'invention,

- la figure 6 représente un autre mode de réalisation com- par choix convenable des ordres de grandeurs, il est ainsi portant des condensateurs. possible de mettre en œuvre deux cristaux X', et X2 d'auto-

La figure 1 représente un filtre de type JAUMANN selon inductance identique, ne différant que par leur fréquence pro-

1 art connu. H pre ,je ieur résonance «série» ; en associant le cristal X3 à un

Il est constitué d'un transformateur Tj, comportant deux transformateur de rapport convenable, on peut aussi, dans le cas enroulements couplés B, et B2; le signal alternatif à filtrer est du filtre de la figure 2, rendre les trois cristaux identiques, à la introduit par couplage de ce transformateur avec un enroule- fréquence de résonance près. C'est une garantie d'un meilleur

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fonctionnement de l'ensemble du filtre, associé à un coût de fabrication plus faible.

La figure 3 représente une variante du filtre de l'invention, comportant 7 cristaux au total, répartis à 3 dans un bras et 4 dans l'autre, où tous les cristaux piézoélectriques sont identiques à leur fréquence d'oscillation près, et ont une auto-inductance motionnelle dont l'impédance est portée à la valeur désirée pour un fonctionnement convenable du filtre, par une pluralité de transformateurs d'adaptation, qui ont été représentés sous la forme commode de bobinages connectés en auto-transforma-teur; la pluralité de transformateurs se présente alors suivant un auto-transformateur unique T3 à prises intermédiaires telles que 31,32,33.

La figure 4 représente une deuxième variante du filtre de l'invention, suivant laquelle les transformateurs d'impédance associés aux cristaux, caractéristiques de l'invention, font partie du transformateur différentiel propre aux filtres électriques de type JAUMANN.

Le transformateur différentiel T4 assume ainsi deux fonctions, et ses enroulements doivent être établis pour lui conférer simultanément les caractéristiques électriques correspondantes, suivant des règles de calcul à la portée de l'homme de l'art, et qui par conséquent ne seront pas données dans la présente description. Les cristaux X! et X4 des extrémités des bras ne sont pas soumis à la transformation d'impédance et les cristaux X'2 et X'3 le sont.

La figure 5 représente une troisième variante du filtre de l'invention. Suivant celle-ci, les deux fonctions respectivement différentielles et transformatrices d'impédance ont été réparties entre les enroulements des transformateurs d'entrée et de sortie, conférant à l'établissement du filtre une souplesse accrue dans le choix des auto-inductances des cristaux oscillants.

Dans ce cas, tous les cristaux X'^ X'2, X'3, X'4> peuvent être soumis à la transformation d'impédance caractéristique de l'invention.

La figure 6 représente un autre mode de réalisation du filtre 5 selon l'invention, dérivé de celui décrit et illustré sur la figure 3. Suivant ce mode, le transformateur T3 de sortie est mis en état de résonance en connectant à ses bornes une capacitance, de valeur convenable, pour constituer avec sçn inductance propre un circuit accordé. Le filtre bénéficie alors d'une meilleure sé-10 lectivité en fonction de la fréquence, ainsi que d'une tension de sortie plus élevée due à la surtension du circuit accordé. Bien qu'il soit possible de connecter, comme sur la figure 3 les cristaux au transformateur par des prises intermédiaires, il a été trouvé avantageux, notamment pour des raisons de coût de fais brication, d'effectuer les prélèvements de tensions intermédiaires sur un pont diviseur de condensateurs CA CB .. .CD, ce qui écarte les difficultés de réalisation d'un transformateur de sortie à prises. L'ajustement précis des rapports de division peut être aisément obtenu en conférant à certains condensateurs une 20 possibilité de variation de leur capacité, tel que figuré sur le condensateur CA.

La description qui précède a été faite dans le cas d'un filtre électrique de fréquence de type JAUMANN ; il doit être entendu que la caractéristique de l'invention peut être comprise dans 25 tout autre type de filtre comportant une pluralité de cristaux piézoélectriques dont les auto-inductances propres doivent être choisies dans une large gamme de valeurs, cette caractéristique étant, dans ces filtres, la mise en œuvre de cristaux d'auto-induc-tance proches les unes des autres, typiquement dans un rapport 30 maximal de 3, associées à des éléments transformateurs de l'impédance équivalente de ces cristaux piézoélectriques.

C

2 feuilles dessins

Claims

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2

REVENDICATIONS

1. Filtre électrique de fréquence, comportant deux bornes d'entrée (1) (2) et deux bornes de sortie (3) (4) pour l'introduction et l'extraction respectives d'une tension électrique alternative, de fréquence comprise dans des bandes respectives données, les bornes d'entrée alimentant un transformateur différentiel (T,) dont les deux enroulements ont une extrémité commune (5) maintenue à un potentiel fixe, leur deux parties séparées étant reliées, suivant deux bras (6) (7) à deux ensembles de cristaux piézoélectriques (X',) (X2) (X3) connectés en parallèle, les deux bras étant reliés par des moyens de raccordement (8) aux deux bornes de sortie, caractérisé en ce que l'un au moins des cristaux piézoélectriques (X'j) est inséré dans l'un des bras par l'intermédiaire d'un transformateur (T2).
2. Filtre électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de l'ensemble de transformateurs associé à une partie de l'ensemble des cristaux piézoélectriques constitue un enroulement transformateur unique à prises intermédiaires, chacune desdites prises étant connectée à un des cristaux.
3. Filtre électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit enroulement unique fait partie dudit transformateur différentiel d'entrée.
4. Filtre électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite partie de l'ensemble de transformateurs est divisée en deux portions réparties entre ledit transformateur différentiel d'entrée et lesdits moyens de raccordement aux bornes de sortie.
5. Filtre électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de raccordement aux deux bornes de sortie comprennent une pluralité de condensateurs connectés en série auxdites bornes.
6. Filtre électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains au moins des cristaux piézoélectriques ont, à l'exception de celle qui détermine leur fréquence d'oscillation, toutes leurs dimensions identiques.
7. Filtre électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains au moins des cristaux piézoélectriques ont des auto-inductances dont les grandeurs sont dans un rapport au plus égal à 3.
8. Filtre électrique selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type JAU-MANN.

La présente intention se rapporte au domaine des circuits électriques connus dans la technique sous le nom de filtres de fréquence. Ces filtres se présentent comme des quadripoles avec deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie ; une tension électrique alternative de valeur constante, étant appliquée entre les bornes d'entrée, provoque aux bornes de sortie l'apparition d'une tension alternative dont la valeur est variable suivant la fréquence; le filtre montre ainsi un coefficient de transmission variable en fonction de la fréquence, qui est souvent visualisé sous la forme d'une courbe de transmission où en abscisses est portée la fréquence et en ordonnées le rapport entre les valeurs des tensions à l'entrée et à la sortie du filtre. Il est ainsi possible de ne transmettre soit qu'une extrémité, haute ou basse de la bande de fréquences, soit une portion donnée; ces différentes possibilités correspondent respectivement à des filtres passe-haut, passe-bas et passe-bande.

Dans les nombreux types de filtres connus, sont souvent mis à contribution des éléments accordés résonnants comportant, soit des capacités et bobines d'auto-inductance, soit, pour de plus hautes surtensions, des résonateurs constitués par des cristaux piézoélectriques.

Un cristal piézoélectrique peut être considéré comme équivalent à un circuit résonnant du type série, constitué d'un condensateur et d'une bobine d'auto-inductance en série ; ces éléments, dont la manifestation ne peut être mise en évidence que lorsque le cristal est en état de vibration, sont pour cette raison désignés sous le nom de capacité motionnelle et auto-inductance s motionnelle.

L'application et l'extraction des tensions électriques apparaissant sur certaines de ses faces parallèles en vis-à-vis s'effectue au moyen de couches métalliques déposées sur celles-ci, et leur présence crée en outre un condensateur dont le cristal consul titue le diélectrique. Son influence est en général négligeable sur le fonctionnement en résonateur du cristal.

Plusieur modes de découpage de ces résonateurs piézoélectriques dans les cristaux d'origine sont possibles, suivant les bandes de fréquence considérées, et sont désignés sous des noms 15 codifiés tels que «coupe X», «coupe AT» par exemple.

Pour un cristal de coupe AT de dimensions données, c'est une variation de son épaisseur, mesurée suivant la distance des faces où les couches métalliques sont déposées, qui fixe la fréquence d'oscillation de celui-ci.

2u Pour un cristal de coupe X, dont la forme générale affecte souvent celle d'un barreau, c'est une variation de sa longueur, pour une largeur déterminée, qui fixe, dans le mode dit d'élon-gation, la fréquence d'oscillation.

Par ailleurs, une autre grandeur caractéristique est à prendre en considération pour définir un cristal oscillant, celle de son auto-inductance équivalente, dont le choix conditionne, comme on va le montrer plus loin en détail, la possibilité d'importantes utilisations pratiques.

Dans le cas d'un cristal de coupe AT, l'auto-inductance est 3o proportionnelle à l'épaisseur; dans le cas de la coupe X, les dimensions transversales déterminent, en plus de la fréquence, la valeur de son auto-inductance.

Cependant, un moyen supplémentaire existe pour faire va-35 rier l'auto-inductance pour un cristal donné, celui du choix déterminé de la surface des couches métalliques déposées sur certaines faces de celui-ci dans la fonction d'électrodes.

En effet, pour un cristal de dimensions fixées, la variation de leur étendu sur ses faces permet de faire varier l'auto-induc-4o tance équivalente, dans des limites typiques de l'ordre de 3.

Dans le cas d'une coupe cristallographique du type X par exemple, la valeur du coefficient d'auto-inductance L, pour une surface A d'électrodes est donnée, en fonction de la fréquence F, par la relation

1,8

45

1 =

AF3

où A est en cm2 et F en mégahertz.

Or, ainsi qu'il va être décrit plus loin, les cristaux piézo-50 électriques constituent les éléments résonnants de filtres électriques de fréquence, dont la complexité croissante exige que les caractéristiques électriques de ces cristaux soient choisies entre de larges limites.

Par exemple, dans une grande partie de leur domaine d'ap-55 plication, il est souvent souhaité que la courbe de transmission des filtres présente, aux limites de la bande de fréquences transmise, des flancs plus proches de la verticale; et l'obtention de ce résultat conduit à la nécessité de la mise en œuvre d'un grand nombre de cristaux, dotés, de plus, d'auto-inductance équiva-ho lentes très différentes, dans un rapport typique de l'ordre de 10.

Or, on a indiqué plus haut que, notamment, l'auto-induc-tance d'un cristal dépend, pour une fréquence donnée, de certaines de ses dimensions et de celles des électrodes conductrices qu'il porte; et le rapport élevé exigé conduit à des ordres de (ô grandeur peu comptibles avec une conception rationnelle.

En particulier pour les valeurs faibles du coefficient L, il en résulte des dimensions des cristaux importantes, avec des surfaces de métallisation pratiquement impossibles à réaliser; de

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plus, les cristaux manifestent alors des résonances parasites né- ment d'entrée. P, dont les bornes 1 et 2 constituent les bornes fastes. d'entrée du quadripole représenté par le filtre.

Les filtres électriques faisant l'objet de la présente invention Ce transformateur est habituellement désigné sous le nom ne comportent pas ces inconvénients. Ils permettent de faire de «transformateur différentiel», pour des riasons qui seront appel à un ensemble de cristaux piézoélectriques dont les auto- 5 expliquées plus loin.

inductances équivalentes respectives ont des ordres de grandeur Ses deux bobinages sont réunis ensemble à une de leurs analogues, ou sont limitées à des rapports faibles. extrémités 5, dont le potentiel est maintenu fixe par raccorde-

Par un choix convenable des éléments des filtres de l'inven- ment L une «terre» ou «masse».

tion, il est même possible de réaliser un ensemble de cristaux Le circuit du filtre comprend deux «bras» 6 et 7, connectés à suivant un type unique, où seule celle des dimensions qui déter- 10 une de leur extrémités, aux extrémités libres des deux bobinages mine la fréquence de résonance, est différente. Les coûts de du transformateur différentiel, bras dans lesquels sont insérés fabrication sur machines en sont ainsi largement abaissés. des cristaux piézoélectriques résonnants tels que Xh X2, X3.