石英晶体滤波器简介2.docx

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1、晶体滤波器crystalfilte用晶体谐振器组成的滤波器。与1.C谐振回路构成的滤波器相比，晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多,已广泛用于通信、导航、测量等电子设备。1921年W.G.凯地将晶体谐振器用于各种调谐电路，形成了晶体滤波器的雏形。1927年1.艾斯本希德把晶体谐振器用于真正的滤波电路。1931年W.P.梅森又把它用于格型滤波器。60年代中期，集成式晶体滤波器研制成功，晶体滤波器在小型化方面有了很大开展。石英晶体滤波器是采用石英晶体谐振器为根本元件的电气滤波器，由于它有很高的品质因数（数万以上），因此在军、民用电子设备中应用极其广泛，特别是在中

2、频范畴内具有不可替代的地位。石英晶体滤波器可分为低通、高通、带通和带阻晶体滤波器。其中又以带通及带阻晶体滤波器最为常用。各种晶体滤波器都可由梯型或差接桥型电路组成，而差接桥型电路具有所需元件较少、对元件参数要求较低、设计灵活，因此在大多数工程设计中，通常采用这种电路。石英晶体滤波器具有以下特点:阻带衰减高：石英晶体滤波器具有陡峭的阻带衰减特性，一般阻带衰减都在60dB以上，有的甚至到达90dB以上。矩形系数好：石英晶体滤波器的矩形系数一般在2到5左右，频率较低的可到达1.8左右，具有良好频率择性。频率温度稳定性好：由于石英晶体在宽温度范围内具有的特性，使得晶体滤波器的幅频特性在宽温度范围内具有

3、非常高的稳定性。体积小：石英晶体滤波器所需的元件较少，而且许多元件都可实现表贴化,因此，这种晶体滤波器的体积相对较小。插损小：一般均小于5dB。石英晶体谐振器是最常用的晶体谐振器之一，它在滤波器中主要用作窄带通滤波器。鱼酸锂或锯酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大，适用于制做高频宽带通滤波器。其他压电材料因温度稳定性较差，很少采用。当作用于晶体谐振器的电信号频率等于晶体的固有频率时，电能通过晶体的逆压电效应在晶体中引起机械谐振产生机械能;在输出端,正压电效应又将这种机械能转换为电信号。晶体谐振器及其等效电路和阻抗特性如上图Io其中，1.I、Cl和Rl分别代表晶体谐振器的动态电感、动态电容和动

4、态电阻;CO为晶体支架和电极间的静态电容。Rl通常很小，可忽略不计。这样，图Ia的等效电路可视为纯电抗二端网络。谐振器的串联、并联谐振频率fl、f2以及比值f2fl分别为：比值f2fl随比值C1/C0而异。这个特性可以用来调节晶体滤波器的通频带。例如，谐振器外接一个串联电容器,等效于Cl减小、fl升高；而外接一个并联电容器,那么等效于CO增大、f2降低。两者均可缩小fl与f2之间的间隔,即缩窄通频带。如果串接或并接电感器,那么将增大频率间隔，展宽通频带。因晶片不能做得很薄，石英晶体谐振器的基波频率只能到达3035兆赫。工作频率较高的谐振器大多工作于泛音（高于基频近奇次倍的振动），但泛音次数越高

5、，串、并联谐振频率的间隔越小。70年代开展起来的离子刻蚀技术能使晶体谐振器的基波频率接近500兆赫。但由于外接元件，特别是线圈问题，其泛音频率也只能做到600兆赫，相对带宽约为0.01%1%。图2差接桥型晶体洪波器分立式晶体滤波器由分立式晶体谐振器和分立式电子元件构成的滤波器，图2a的差接桥型晶体滤波器是其一种。在滤波性能上它和格型滤波器等效，但所用的晶体谐振器数目可减少一半。其阻抗特性及衰减特性如上图2b和c。在fl至f3之间,zl和z2的符号相反,又由于变压器次级两端电压的极性相反,两臂中的电流同号相加,所以fl至臼间为滤波器的通频带。同理,当ff3时,zl和z2同号,两臂电流异号相减;所

6、以flf3两侧以外的区域为阻带。zl=z2时,输出为零,f、f为无穷大衰减频率。分立式晶体滤波器可实现的中心频率为10千赫到350兆赫,相对带宽为0.01%10%。至于梯型石英晶体滤波器，由于使用石英晶体数量较多，群延时指标低于差接桥型，而且在规定带内波动指标的前提下，带宽受到限制等多方面原因，在专业无线电设备中较难看到，相反因其电路简单，在业余爱好者的DIY制作中比拟常见（业余爱好者的套件一般只提带内波动、插入损耗、阻带衰减、矩形系数，绝不谈群延时指标）。集成式晶体滤波器采用集成电路工艺制作的晶体滤波器，有单片的、串联单片的和多片的三种类型。单片晶体滤波器（MCF）由镀在AT切石英片上假设干

7、对电极形成的耦合谐振器组成。是在石英基片外表配置假设干对金属电极形成的耦合谐振器组成,它能够构成的带通和带阻滤波器。它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间矩，以控制超声波的声学耦合，从而到达滤波的目的。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高，现已在移动通信设备中大量使用，是必不可少的初级中频滤波器，对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要作用。国外MCF产品实用化水平为：中心频率为几MHZ150MHz,带宽0.0010.1%,频道间隔12.525kHz,最小封装尺寸为8x8x3.2mm,重量为0.4g。MCF目前的开展方向集中在开发新型压电材料、扩

8、展带宽、减少带内延时波动、增大带外衰减、扩充和提高中频点和线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化。下列图为其中最简单的四电极单片晶体滤波器电路结构及其等效电路。输入谐振器随所加信号电压而产生厚度切变振动，晶片因受电极质量负荷的影响，电极区的谐振频率比非电极区的低，使弹性波在两区边界发生反射，从而使绝大局部能量陷落在电极区内,少量泄漏的能量那么耦合到与之相邻的谐振器。这样依次相传到输出谐振器，再变为电信号。适当地设计电极尺寸、谐振器间距和频率镀回率，就可以控制弹性波在晶片中的传播，从而实现滤波功能。串联单片晶体滤波器由假设干用电容耦合的单片晶体滤波器组成下列图4o其优点是利于调整工作频率和抑制寄

9、生频率。R.多片晶体滤波器由串联的耦合谐振器、并联的单谐振器和电容器组成下列图5。其特点是能在靠近通频带的频率上形成假设干衰减峰，有利于抑制干扰和改善滤波性能。集成式晶体滤波器体积小、可靠性高而且造价低。但其中心频率只有4.5350兆赫，相对带宽为0.01%0.3%,所以在要求中心频率低、通频带宽的场合尚不能取代分立式晶体滤波器。术语解释1、插入损耗：信号源直接传送给负载阻抗的功率(PO)和插入滤波器后传送给负载阻抗的功率(Pl)之比的对数值。通常用分贝(dB)为单位进行度量,表示为I1.=IoIg(PO/Pl)O2、通带波动：通带内衰耗的最大峰值与最小谷值之差。3、通带宽度；指相对衰耗小于和

10、等于某一规定值时的频率宽度(如ldB、2dB、3dB、6dB等)。4、阻带衰耗：指整个阻带内的最小衰耗值。5、阻带宽度：相对衰耗等于和大于某规定值时的频带宽度（如40dB、50dB.60dB、8OdB等）。6、匹配阻抗：滤波器技术条件中要求的端接匹配阻抗值。应用指南石英晶体滤波器根据其结构不同分为集成式单片滤波器和别离式滤波器。集成式滤波器结构简单、体积小、价格低，但其带宽和频率受到限制，别离式滤波器那么可以弥补集成式滤波器的缺乏，使可实现的频率和带宽得以拓展。数字通讯技术的开展，对晶体滤波器的群延时特性及互调失真指标提出要求，而别离式滤波器能够较容易解决。1、阻抗匹配：性能优良的滤波器在与其

11、端接的电路阻抗不匹配时，滤波特性会变差，引起通带波动增大，插损增加。当外电路阻抗低于滤波器特性阻抗时,中心频率将下移，反之上移。滤波器的测试或使用应符合以下原理图信号源+电平表”功能由网络分析仪完成Ri、R0：仪器内阻：一般为50。R1-滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50oR2-滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50o在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。2、合理的测量电平；如同晶体对鼓励电平的要求一样，滤波器中其核心元件仍是晶体，因此鼓励电平在没有规定时，一般选OdB作为输入电平。3、良好的屏蔽：对滤波器的输入端和输出端进行良好屏蔽，以使信号源的能量不能直接耦合到负载端。对甚高频以上滤波器，那么应使滤波器与仪器间的连接尽量符合同轴线原理。滤波器在线路上时应尽可能采用大面积接地，并将输入、输出端隔离，保证滤波器的阻带衰耗。