石英晶體濾波�是在石英基片表面配置若干對金屬電極構(gòu)成的帶通或帶阻濾波�。它利用壓電效應(yīng)的能陷入理論,選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間距,控制超聲波的聲耦合,從而達到濾波的目的。石�晶體濾波器是采用石英晶體諧振�為基本元件的電氣濾波�,由于它有很高的品質(zhì)因數(shù)(數(shù)萬以上),因此在�、民用電子設(shè)備中�(yīng)用極其廣�,特別是在中頻范疇內(nèi)具有不可替代的地��
用晶體諧振器組成的晶體濾波器(Crystal Filte)與LC諧振回路�(gòu)成的濾波器相比,晶體濾波器在頻率選擇�、頻率穩(wěn)定性、過渡帶陡度和插入損耗等方面都優(yōu)越得�,已廣泛用于通信、導(dǎo)�、測量等電子�(shè)��1921年W.G.凱地將晶體諧振器用于各種�(diào)諧電路,形成了晶體濾波器的雛��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,晶體濾波器在小型化方面有了很大發(fā)�。石英晶體濾波器具有以下�(yōu)點:
1.阻帶衰減高:石英晶體濾波器具有陡峭的阻帶衰減特�,一般阻帶衰減都�60dB以上,有的甚至達�90dB以上�
2.體積?。菏⒕w濾波器所需的元件較�,而且許多元件都可實現(xiàn)表貼�,因�,這種晶體濾波器的體積相對較小�
3.插損小:一般均小于5dB�
4.矩形系數(shù)好:石英晶體濾波器的矩形系數(shù)一般在2�5左右,頻率較低的可達�1.8左右,具有良好頻率擇性�
5.頻率溫度�(wěn)定性好:由于石英晶體在寬溫度范圍內(nèi)具有的特�,使得晶體濾波器的幅頻特性在寬溫度范圍內(nèi)具有非常高的�(wěn)定��
石英晶體濾波器是最常用的晶體諧振器之一,它的特點是頻率選擇度十分陡�、損耗低、穩(wěn)定性好、阻帶衰減高,現(xiàn)已在移動通信�(shè)備中大量使用,是必不可少的初級中頻濾波器,對提高整機靈敏度和抗干擾能力有重要作用,它在濾波器中主要用作窄帶通濾波器�
�(dāng)作用于晶體諧振器的電信號頻率等于晶體的固有頻率時,電能通過晶體的逆壓電效�(yīng)在晶體中引起機械諧振�(chǎn)生機械能;在輸出�,正壓電效應(yīng)又將這種機械能轉(zhuǎn)換為電信號。晶體諧振器及其等效電路和阻抗特性如上圖1。其中,L1、C1和R1分別代表晶體諧振器的動態(tài)電感、動�(tài)電容和動�(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。這樣,圖1a的等效電路可視為純電抗二端網(wǎng)�(luò)。諧振器的串�(lián)、并�(lián)諧振頻率f1、f2以及比值f2/f1分別為:
比� f2/f1隨比值C1/C0而異。這個特性可以用來調(diào)節(jié)晶體濾波器的通頻�。例�,諧振器外接一個串�(lián)電容器,等效于C1減小、f1升高;而外接一個并�(lián)電容�,則等效于C0增大、f2降低。兩者均可縮小f1與f2之間的間�,即縮窄通頻帶。如果串接或并接電感�,則將增大頻率間�,展寬通頻帶�
因晶片不能做得很�,石英晶體諧振器的基波頻率只能達�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�,但泛音次數(shù)越高,串、并�(lián)諧振頻率的間隔越��
70年代�(fā)展起來的離子刻蝕技�(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,特別是線圈問題,其泛音頻率也只能做� 600兆赫,相對帶寬約�0.01%~1�。國外MCF�(chǎn)品的實用化水平為中心頻率幾MHz�150MHz,頻道間�12.5kHz�25kHz,最小封裝尺寸為8mm×8mm×3.2mm,重量僅�0.4g。MCF的發(fā)展方向是開發(fā)新型壓電材料、擴展帶�、減少帶�(nèi)延時波動、增大帶外衰�、擴充和提高中頻點及線性度、封裝單片尺寸進一步小型化和片式化�
濾波器分為有源濾波器和無源濾波器,石英晶體濾波器屬于無源濾波�� 按濾波器對信號頻率的作用來分,可以分為以�四種� 低通:低于某一�(guī)定的頻率(截止頻率)的信號均可通過,高于該頻率的信號均被衰�� 高通:高于某一�(guī)定的頻率(截止頻率)的信號均可通過,低于該頻率的信號均被衰減� 帶通:位于兩個規(guī)定頻率(�、下截止頻率)之間的信號均可通過,高于上截止頻率和低于下截止頻率的信號均被衰�� 帶阻:位于兩個規(guī)定頻率(上、下截止頻率)之間的信號均被衰減,高于上截止頻率和低于下截止頻率的信號均可通過�
石英晶體濾波器根�(jù)其結(jié)�(gòu)不同分為集成式濾波器和分立式濾波器�
?�?)集成式晶體濾波�
集成式濾波器�(jié)�(gòu)簡單、體積小、價格低,但其帶寬和頻率受到限制,分離式濾波器則可以彌補集成式濾波器的不�,使可實�(xiàn)的頻率和帶寬得以拓展。采用集成電路工藝制作的晶體濾波�,又分為單片�、串�(lián)單片的和多片的三種類型:
1.單片晶體濾波器(MCF)由鍍在AT切石英片上若干對電極形成的耦合諧振器組�。是在石英基片表面配置若干對金屬電極形成的耦合諧振器組�,它能夠�(gòu)成的帶通和帶阻濾波�� 它利用壓電效�(yīng)的能陷理論來選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間矩,以控制超聲波的聲學(xué)耦合,從而達到濾波的目的。其特點是頻率選擇度十分陡峭、損耗低、穩(wěn)定性好、阻帶衰減高,現(xiàn)已在移動通信�(shè)備中大量使用,是必不可少的初級中頻濾波器,對提高整機靈敏度和抗干擾能力具有重要作�。國外MCF�(chǎn)品實用化水平為:中心頻率為幾MHz�150MHz,帶�0.001�0.1%,頻道間�12.5�25kHz,最小封裝尺寸為8×8×3.2mm,重量為0.4g�
MCF目前的發(fā)展方向集中在開發(fā)新型壓電材料、擴展帶�、減少帶�(nèi)延時波動、增大帶外衰�、擴充和提高中頻點和線性度并使封裝尺寸進一步小型化和片式化� 下圖為其中最簡單的四電極單片晶體濾波器電路結(jié)�(gòu)及其等效電路。輸入諧振器隨所加信號電壓而產(chǎn)生厚度切變振�,晶片因受電極質(zhì)量負荷的影響,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�(fā)生反射,從而使絕大部分能量陷落在電極區(qū)�(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�?yōu)殡娦盘枴_m�(dāng)?shù)卦O(shè)計電極尺�、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�(xiàn)濾波功能�
2.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下圖4。其�(yōu)點是利于�(diào)整工作頻率和抑制寄生頻率�
3.多片晶體濾波器由串聯(lián)的耦合諧振�、并�(lián)的單諧振器和電容器組成下�5。其特點是能在靠近通頻帶的頻率上形成若干衰減峰,有利于抑制干擾和改善濾波性能�
�2)分立式晶體濾波�
集成式晶體濾波器體積�、可靠性高而且造價低。但其中心頻率只�4.5�350兆赫,相對帶寬為0.01%~0.3%,所以在要求中心頻率�、通頻帶寬的場合尚不能取代分立式晶體濾波器�
由分立式晶體諧振器和分立式電子元件構(gòu)成的濾波�,差接橋型晶體濾波器是其一�。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上圖2b 和c。在f1至f3之間,z1和z2的符號相反,又由于變壓器次級兩端電壓的極性相�,兩臂中的電流同號相�,所以f1至f3間為濾波器的通頻�。同�,當(dāng)f<f1和f>f3時,z1和z2同號,兩臂電流異號相�;所以f1~f3兩側(cè)以外的區(qū)域為阻帶。z1=z2�,輸出為�,f、f為無窮大衰減頻率。分立式晶體濾波器可實現(xiàn)的中心頻率為10千赫�350兆赫,相對帶寬為0.01%~10�。至于梯型石英晶體濾波器,由于使用石英晶體數(shù)量較�,群延時指標(biāo)低于差接橋型,而且在規(guī)定帶�(nèi)波動指標(biāo)的前提下,帶寬受到限制等多方面原�,在無線電設(shè)備中較難看到,相反因其電路簡單,在業(yè)余愛好者的DIY制作中比較常見(�(yè)余愛好者的套件一般只提帶�(nèi)波動、插入損�、阻帶衰�、矩形系�(shù),絕不談群延時指�(biāo)��
石英晶體濾波器在使用時應(yīng)注意�
1.阻抗匹配:性能�(yōu)良的濾波器在與其端接的電路阻抗不匹配�,濾波特性會變差,引起通帶波動增大,插損增�。當(dāng)外電路阻抗低于濾波器特性阻抗時,中心頻率將下移,反之上�。濾波器的測試或使用�(yīng)符合以下原理圖:
信號�+電平表功能由�(wǎng)�(luò)分析儀完成�
Ri、R0:儀器內(nèi)阻:一般為50Ω
R1--濾波器輸入端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω�
R2--濾波器輸出端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω�
在濾波器條件的匹配阻抗中有時有并接電容要�,應(yīng)按上圖連接�
2.合理的測量電平:如同晶體對激勵電平的要求一樣,濾波器中其核心元件仍是晶�,因此激勵電平在沒有�(guī)定時,一般選0dB作為輸入電平�
3.良好的屏蔽:對濾波器的輸入端和輸出端進行良好屏蔽,以使信號源的能量不能直接耦合到負載端。對甚高頻以上濾波器,則�(yīng)使濾波器與儀器間的連接盡量符合同軸線原�。濾波器在線路上時應(yīng)盡可能采用大面積接地,并將輸�、輸出端隔離,保證濾波器的阻帶衰��
凡是需要將有用的頻率信號和無用的頻率信號分開并將無用信號抑制下去的地方都可以使用濾波器。例如:通信、導(dǎo)航等做中頻濾�,儀�、儀表、控制中作信號提��
主要技�(shù)指標(biāo)�
1.中心頻率 (標(biāo)稱頻率)
2.通帶寬度
3.通帶波動
4.插入損�
5.阻帶衰減
6.阻帶范圍
7.寄生響應(yīng)
8.群延�
濾波器的�(shè)計從最開始的定K式濾波器、m�(dǎo)出濾波器到象參數(shù)法設(shè)計的濾波�,都是按照設(shè)計出的線路的性能去接近對濾波器的要求,一般把這種�(shè)計方法叫做分析法�(shè)�。隨著計算機性能的發(fā)展和提高,可以按照濾波器的要求來計算出濾波線路及其元件數(shù)�,這也叫做綜合法設(shè)計。而且已經(jīng)有人把各種濾波器的性能要求和滿足這種要求的濾波線路及其元件數(shù)值制作成表格供設(shè)計者查�,設(shè)計者只需進行簡單的計算即可完成設(shè)�。對于晶體濾波器來說,從2極點�12極點的電路及其元件數(shù)值都已經(jīng)給出�
差接橋型濾波器:在實際晶體濾波器的制作中,都用加一個差接變量器的差接橋型濾波器來等效格型濾波器。這樣可以使晶體和其它元件的數(shù)目減少一�,但需要注意的是串并臂的阻抗要加大一倍。在實際�(yīng)用中除了匹配阻抗不同(相�1倍)以外,沒有什么區(qū)別,還為輸入輸出提供了公共接地線,更便于不平衡電路的使用�
1.晶體加工:晶體加工工藝和普通的晶體一�,需要特別注意的有以下兩點:1.等效參數(shù)的一致性要好一些�2.寄生響應(yīng)要盡量的做小一點。因此更需要采用能陷公式來確定鍍膜返回量或者確定電極尺��
2.變量器加工:�(shè)計原則:變量器的帶寬要遠大于濾波器的帶寬,變量器的并�(lián)諧振阻抗遠大于濾波器的特性阻�,變量器的電感量盡可能的大,但要保證還能加上一定的外接�(diào)諧電�。如果端接阻抗和濾波器的特性阻抗不一�,可通過改變變量器的�、次級所繞的圈數(shù)比來實現(xiàn)�
3.磁芯的選擇:根據(jù)濾波器的頻率和所要求的體積選��
4.繞制的要求:差接線圈用雙線并繞的方法繞制�
5.固定的方式:要求要牢固可靠并且要屏蔽��
6.印刷電路板設(shè)計:節(jié)與節(jié)之間能分隔開,印刷電路板用的敷銅板的絕緣性能要好�
7.裝配和調(diào)試:裝配位置正確,焊接牢��
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