晶體濾波器
[拼音]:jingti lüboqi
[外文]:crystal filter
用晶體諧振器組成的濾波器。晶體濾波器與LC諧振回路構(gòu)成的濾波器相比,在頻率選擇性、頻率穩(wěn)定性、過(guò)渡帶陡度和插入損耗等方面都優(yōu)越得多,已廣泛用于通信、導(dǎo)航、測(cè)量等電子設(shè)備。1921年W.G.凱地將晶體諧振器用于各種調(diào)諧電路,形成了晶體濾波器的雛形。1927年L.艾斯本希德把晶體諧振器用于真正的濾波電路。1931年W.P.梅森又把它用于格型濾波器。60年代中期,集成式晶體濾波器研制成功,從此,晶體濾波器在小型化方面有了很大發(fā)展。
石英晶體諧振器是最常用的晶體諧振器之一,它在濾波器中主要用作窄帶通濾波器。鉭酸鋰或鈮酸鋰晶體諧振器的耦合系數(shù)和頻率常數(shù)較大,適于制做高頻寬帶通濾波器。其他壓電材料因溫度穩(wěn)定性較差,很少采用。(見(jiàn)壓電器件)。
當(dāng)作用于晶體諧振器的電信號(hào)頻率等于晶體的固有頻率時(shí),電能通過(guò)晶體的逆壓電效應(yīng)在晶體中引起機(jī)械諧振產(chǎn)生機(jī)械能;在輸出端,正壓電效應(yīng)又將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。晶體諧振器及其等效電路和阻抗特性如圖1。其中,L1、C1和R1分別代表晶體諧振器的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻;C0為晶體支架和電極間的靜態(tài)電容。R1通常很小,可忽略不計(jì)。這樣,圖1a的等效電路可視為純電抗二端網(wǎng)絡(luò)。諧振器的串聯(lián)、并聯(lián)諧振頻率f1、f2以及比值f2/f1分別為
比值 f2/f1隨比值C1/C0而異。這個(gè)特性可以用來(lái)調(diào)節(jié)晶體濾波器的通頻帶。例如,諧振器外接一個(gè)串聯(lián)電容器,等效于C1減小、f1升高;而外接一個(gè)并聯(lián)電容器,則等效于C0增大、f2降低。兩者均可縮小f1與f2之間的間隔,即縮窄通頻帶。如果串接或并接電感器,則將增大頻率間隔,展寬通頻帶。
因晶片不能做得很薄,石英晶體諧振器的基波頻率只能達(dá)到30~35兆赫。工作頻率較高的諧振器大多工作于泛音(高于基頻近奇次倍的振動(dòng)),但泛音次數(shù)越高,串、并聯(lián)諧振頻率的間隔越小。
70年代發(fā)展起來(lái)的離子刻蝕技術(shù)能使晶體諧振器的基波頻率接近 500兆赫。但由于外接元件,特別是線圈問(wèn)題,其泛音頻率也只能做到 600兆赫,相對(duì)帶寬約為0.01%~1%。
分立式晶體濾波器
由分立式晶體諧振器和分立式電子元件構(gòu)成的濾波器。圖2a的差接橋型晶體濾波器是其一種。在濾波性能上它和格型濾波器等效,但所用的晶體諧振器數(shù)目可減少一半。其阻抗特性及衰減特性如圖2b 和c。在f1至f3之間,z1和z2的符號(hào)相反,又由于變壓器次級(jí)兩端電壓的極性相反,兩臂中的電流同號(hào)相加,所以f1至f3間為濾波器的通頻帶。同理,當(dāng)f<f1和f>f3時(shí),z1和z2同號(hào),兩臂電流異號(hào)相減;所以f1~f3兩側(cè)以外的區(qū)域?yàn)樽鑾А?i>z1=z2時(shí),輸出為零,f、f為無(wú)窮大衰減頻率。分立式晶體濾波器可實(shí)現(xiàn)的中心頻率為10千赫到350兆赫,相對(duì)帶寬為0.01%~10%。
集成式晶體濾波器
采用集成電路工藝制作的晶體濾波器,有單片的、串聯(lián)單片的和多片的三種類型。
單片晶體濾波器
由鍍?cè)贏T切(見(jiàn)石英晶體)石英片上若干對(duì)電極形成的耦合諧振器組成。圖3為其中最簡(jiǎn)單的四電極單片晶體濾波器電路結(jié)構(gòu)及其等效電路。輸入諧振器隨所加信號(hào)電壓而產(chǎn)生厚度切變振動(dòng),晶片因受電極質(zhì)量負(fù)荷的影響,電極區(qū)的諧振頻率比非電極區(qū)的低,使彈性波在兩區(qū)邊界發(fā)生反射,從而使絕大部分能量陷落在電極區(qū)內(nèi),少量泄漏的能量則耦合到與之相鄰的諧振器。這樣依次相傳到輸出諧振器,再變?yōu)殡娦盘?hào)。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)電極尺寸、諧振器間距和頻率鍍回率,就可以控制彈性波在晶片中的傳播,從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。
串聯(lián)單片晶體濾波器
由若干用電容耦合的單片晶體濾波器組成(圖4)。其優(yōu)點(diǎn)是利于調(diào)整工作頻率和抑制寄生頻率。
多片晶體濾波器
由串聯(lián)的耦合諧振器、并聯(lián)的單諧振器和電容器組成(圖5)。其特點(diǎn)是能在靠近通頻帶的頻率上形成若干衰減峰,有利于抑制干擾?a href=’http://www.baiven.com/baike/225/315630.html’ target=’_blank’ style=’color:#136ec2′>透納坡瞬ㄐ閱堋?/p>
集成式晶體濾波器體積小、可靠性高而且造價(jià)低。但其中心頻率只有4.5~350兆赫,相對(duì)帶寬為0.01%~0.3%,所以在要求中心頻率低、通頻帶寬的場(chǎng)合尚不能取代分立式晶體濾波器。
- 參考書(shū)目
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- W. P. Mason,Electromechanical Transducers and Wave Filters, 2nd ed., D. Van Nostrana Co., Princeton, NewJersey,1948.
- D. S. Humpherya, The Analysis Design and Synthesis of Electrical Filters, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs,New Jersey, 1970.
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