Filtro de cristal

En 1880, Pierre y Jacques Curie demostraron que ciertos cristales producían una carga eléctrica al ser sometidos a tensión mecánica. El efecto inverso, en el que un voltaje aplicado produce movimiento mecánico, permitió excitar y detectar eléctricamente la vibración natural de un cristal. ^{[ 1 ]} AM Nicolson demostró la resonancia eléctrica en un cristal de sal de Rochelle en 1919. ^{[ 2 ]} Posteriormente, Walter Guyton Cady estudió resonadores cortados de cuarzo, que era más estable y duradero. En 1922, describió el comportamiento eléctrico de placas de cuarzo y propuso utilizar un resonador de electrodos divididos como elemento de acoplamiento entre dos circuitos. ^{[ 3 ]} Esta fue la primera propuesta publicada para utilizar un cristal de cuarzo como parte de un filtro. ^{[ 4 ]}

Un filtro de onda , término contemporáneo para una red eléctrica selectiva en frecuencia, originalmente un inductor y un condensador o LC, dejaba pasar un rango de frecuencias elegido mientras atenuaba las frecuencias fuera de él. El desarrollo de los filtros de onda de cristal fue impulsado por la telefonía portadora . Los sistemas portadores colocaban varias llamadas telefónicas en un par de cables asignando a cada llamada un rango de frecuencia diferente. Los sistemas introducidos durante la década de 1910 usaban filtros de onda de inductor-condensador en frecuencias de aproximadamente 10 a 40 kHz. A medida que se agregaban más canales, el factor Q limitado de los inductores prácticos dificultaba obtener una separación suficientemente pronunciada entre canales adyacentes. ^{[ 4 ]} En 1927, Lloyd Espenschied de Bell Laboratories y Clarence W. Hansell de RCA presentaron independientemente solicitudes de patente para filtros de cristal. Espenschied describió varias configuraciones en escalera y agregó inductores en serie o en paralelo con los cristales para aumentar su ancho de banda. ^{[ 5 ]} Hansell utilizó un circuito de puente balanceado en el que la capacitancia de cristal no deseada podía cancelarse mediante la sustracción de la señal, anticipándose a los circuitos reticulares utilizados posteriormente en muchos filtros de cristal discretos. ^{[ 6 ]} Estos primeros circuitos eran altamente selectivos, pero sus bandas de paso eran demasiado estrechas para la voz telefónica. Un filtro Espenschied a 60 kHz, por ejemplo, tenía un ancho de banda de aproximadamente 480 Hz, mientras que un canal telefónico requería varios kilohercios. El problema no era solo obtener una mayor selectividad, sino obtener un ancho de banda de voz superior a 3000 Hz manteniendo una alta atenuación en los canales cercanos. ^{[ 7 ]}

Warren P. Mason aumentó el ancho de banda combinando elementos LC con resonadores de cuarzo en una red reticular . Mason alternó las resonancias de un par de brazos de la red con las del otro par, de modo que las frecuencias deseadas pasaran a través de la red mientras que las frecuencias no deseadas se cancelaban mediante la sustracción de la señal. Comenzó este trabajo en 1929 y lo describió detalladamente en un artículo de 1934. ^{[ 8 ]}

Mason aplicó los métodos de filtrado de ondas con parámetros de imagen desarrollados por Otto Julius Zobel . Describió dos formas: una de banda estrecha que utilizaba cristales y condensadores, y otra de banda ancha que combinaba cristales con circuitos sintonizados LC. La forma de banda estrecha generalmente se limitaba a entre el 0,2 y el 0,4 por ciento de su frecuencia central. La forma de banda ancha podía proporcionar anchos de banda de aproximadamente entre el 2 y el 6 por ciento en el rango de 60 a 300 kHz, adecuados para canales de voz telefónica. ^{[ 8 ] [ 4 ]}

Este filtro fue la base del grupo de portadoras estándar de Bell System. Doce canales de voz, cada uno ocupando aproximadamente de 200 a 3400 Hz y espaciados a 4 kHz, se ubicaron entre 60 y 108 kHz. Cada canal requería un filtro con una banda de paso lo suficientemente amplia para la voz y una atenuación de banda de rechazo lo suficientemente pronunciada como para rechazar el canal adyacente. El banco de canales de banda lateral única de larga distancia de Bell, que utilizaba estos filtros, entró en producción en 1938. Los diseños de celosía de Mason constituyeron la base de la mayoría de los filtros de cristal desarrollados durante los siguientes veinte años. ^{[ 4 ]}

Mason publicó este trabajo en su libro de 1942, Transductores electromecánicos y filtros de onda . El libro explicaba los métodos de análisis comunes para sistemas eléctricos, mecánicos y acústicos, y trataba los resonadores piezoeléctricos como elementos de circuitos electromecánicos. Incluía resonadores de cristal en filtros de celosía y de escalera, y situaba el diseño de filtros de cristal dentro de un contexto más amplio de circuitos electromecánicos. ^{[ 9 ]}

El primer banco de doce canales de larga distancia del sistema Bell entró en producción en 1938. Cada canal de voz se modulaba directamente en su posición asignada dentro de la banda de grupo estándar de 60 a 108 kHz, por lo que se necesitaban doce diseños de filtros de cristal relacionados, uno para cada posición de 4 kHz de ancho. El filtro original era un diseño grande de orden 16 que contenía dos secciones de red cristalina, inductores, condensadores y cuatro placas de cuarzo natural. Ocupaba aproximadamente 3400 cm³ y pesaba 18,5 kg. ^{[ 10 ]}

El circuito se simplificó en 1944. Utilizaba cuatro cristales de cuarzo natural en una red de orden 12, dispuestos en una sola latitud, y fue la base de los filtros de canal discreto del sistema Bell posteriores. Los diseños subsiguientes conservaron esta disposición básica del circuito, reduciendo el tamaño y el coste de los componentes, el encapsulado y el cableado. La versión de 1953 tenía aproximadamente una quinta parte del tamaño y la mitad del coste de la de 1944. El cuarzo cultivado sustituyó posteriormente al cuarzo natural, cada vez más escaso, y el diseño de 1978 empleó síntesis asistida por ordenador, optimización de componentes, cableado impreso y componentes magnéticos mucho más pequeños. Su volumen era de tan solo 39 cm³, aproximadamente una octogésima séptima parte del del filtro de 1938. ^{[ 10 ]}

Los filtros del sistema Bell continuaron utilizando modulación directa en las doce bandas de canal finales. Por el contrario, el filtro de 1977 diseñado para cumplir con los requisitos de la CCITT se utilizó con dos etapas de modulación. Todos los canales pasaron primero por el mismo filtro de banda lateral superior a 128–132 kHz y luego se trasladaron a sus posiciones finales. Por lo tanto, solo se requirió un diseño de filtro, aunque los requisitos más estrictos de la banda de rechazo de la CCITT exigían una red de orden 16 con seis cristales. ^{[ 10 ]}

Un filtro de cristal monolítico contiene dos o más resonadores formados en la misma placa de cuarzo. La vibración mecánica de la placa acopla los resonadores. Los cristales de electrodo dividido utilizados en los filtros de canal telefónico reemplazaron dos placas de cristal separadas por una sola, pero seguían funcionando como un único elemento resonante. En las implementaciones de circuitos balanceados, esto ahorraba cristales, pero no aumentaba el orden del filtro. En un filtro monolítico, la interacción entre varios modos resonantes diferentes produce la respuesta del filtro. ^{[ 4 ]}

En 1946 ya se habían demostrado resonadores acoplados en una sola placa de cuarzo, aunque los componentes comerciales prácticos no estuvieron disponibles hasta la década de 1960. En 1962, Y. Nakazawa publicó un filtro monolítico de dos polos y un filtro de seis polos construido a partir de tres secciones de dos polos. Estos filtros operaban a 10,7 MHz. Diseños posteriores variaron el patrón de los electrodos metálicos y el grosor del metal para ajustar la respuesta en frecuencia. El término filtro de cristal monolítico apareció en la literatura técnica a mediados de la década de 1960. ^{[ 4 ]}

En 1965, ya se comercializaban en Japón filtros monolíticos de cuatro y seis polos, y en 1967 se vendían filtros estandarizados de 10,7 MHz. La mayoría de los productos utilizaban elementos de dos polos que podían conectarse en cascada para producir respuestas de orden superior. Su pequeño tamaño y compatibilidad con amplificadores de frecuencia intermedia de transistores y circuitos integrados propiciaron su uso generalizado en equipos de comunicaciones. ^{[ 4 ]}

Bell Laboratories desarrolló un filtro monolítico de ocho polos para el banco de canales de telefonía portadora A6. Operaba cerca de 8 MHz y realizaba la función de selección de banda lateral que antes proporcionaban los filtros de cristal discretos, mucho más grandes, utilizados en frecuencias entre 60 y 108 kHz. El diseño monolítico lo convirtió en el filtro de canal más pequeño, pero requería dos conversiones de frecuencia. Los filtros se fabricaron en equipos desarrollados específicamente para el programa A6. ^{[ 11 ] [ 4 ]}

Una alternativa era el filtro polilítico , en el que varios resonadores de cuarzo o secciones monolíticas independientes se combinaban en un solo conjunto. Esto conservaba gran parte de la reducción de tamaño de un diseño monolítico, al tiempo que permitía fabricar y ajustar los resonadores individualmente. Los filtros polilíticos se utilizaron en algunos sistemas de multiplexación por división de frecuencia y de microondas. ^{[ 12 ]}