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石英晶體濾波�
閱讀�13213�(shí)間:2011-03-03 15:47:31

  石英晶體濾波�是在石英基片表面配置若干�(duì)金屬電極�(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(dá)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器,由于它有很高的品�(zhì)因數(shù)(數(shù)�(wàn)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��

�(yōu)�(diǎn)

  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�,晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩(wěn)定�、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)�、測(cè)量等電子�(shè)備�1921年W.G.凱地將晶體諧振器用于各種�(diào)諧電�,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,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)�(diǎn)�

  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(dá)�90dB以上�

  2.體積?。菏⒕w濾波器所需的元件較�,而且許多元件都可�(shí)�(xiàn)表貼化,因此,這種晶體濾波器的體積相對(duì)較小�

  3.插損?。阂话憔∮?dB�

  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(dá)�1.8左右,具有良好頻率擇��

  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��

特�

  石英晶體濾波器是最常用的晶體諧振器之一,它的特�(diǎn)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(dòng)通信�(shè)備中大量使用,是必不可少的初�(jí)中頻濾波�,對(duì)提高整機(jī)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�

晶體諧振器

  �(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�(yīng)在晶體中引起�(jī)械諧振產(chǎn)生機(jī)械能;在輸出�,正壓電效應(yīng)又將這種�(jī)械能�(zhuǎn)換為電信�(hào)。晶體諧振器及其等效電路和阻抗特性如上圖1。其�,L1、C1和R1分別代表晶體諧振器的�(dòng)�(tài)電感、動(dòng)�(tài)電容和動(dòng)�(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)�(luò)。諧振器的串�(lián)、并�(lián)諧振頻率f1、f2以及比值f2/f1分別為:

f1、f2、f2/f1

  比� f2/f1隨比值C1/C0而異。這�(gè)特性可以用�(lái)�(diào)節(jié)晶體濾波器的通頻�。例如,諧振器外接一�(gè)串聯(lián)電容�,等效于C1減小、f1升高;而外接一�(gè)并聯(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�。如果串接或并接電感�,則將增大頻率間隔,展寬通頻��

  因晶片不能做得很薄,石英晶體諧振器的基波頻率只能�(dá)�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�(lián)諧振頻率的間隔越��

差接橋型晶體濾波器

  70年代�(fā)展起�(lái)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�(xiàn)圈問(wèn)�,其泛音頻率也只能做� 600兆赫,相�(duì)帶寬約為0.01%~1�。國(guó)外MCF�(chǎn)品的�(shí)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�?jī)H�0.4g。MCF的發(fā)展方向是�(kāi)�(fā)新型壓電材料、擴(kuò)展帶�、減少帶�(nèi)延時(shí)波動(dòng)、增大帶外衰�、擴(kuò)充和提高中頻�(diǎn)及線(xiàn)性度、封裝單片尺寸�(jìn)一步小型化和片式化�

分類(lèi)

  濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器,石英晶體濾波器屬于�(wú)源濾波器�

  按濾波器�(duì)信號(hào)頻率的作用來(lái)�,可以分為以�四種�

  低通:低于某一�(guī)定的頻率(截止頻率)的信�(hào)均可通過(guò),高于該頻率的信�(hào)均被衰減�

  高通:高于某一�(guī)定的頻率(截止頻率)的信�(hào)均可通過(guò),低于該頻率的信�(hào)均被衰減�

  帶通:位于兩�(gè)�(guī)定頻率(�、下截止頻率)之間的信號(hào)均可通過(guò),高于上截止頻率和低于下截止頻率的信�(hào)均被衰減�

  帶阻:位于兩�(gè)�(guī)定頻率(上、下截止頻率)之間的信號(hào)均被衰減,高于上截止頻率和低于下截止頻率的信�(hào)均可通過(guò)�

  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)�(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低,但其帶寬和頻率受到限制,分離式濾波器則可以彌補(bǔ)集成式濾波器的不�,使可實(shí)�(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器,又分為單片的、串�(lián)單片的和多片的三種類(lèi)型:

  1.單片晶體濾波器(MCF)由�?cè)贏T切石英片上若干對(duì)電極形成的耦合諧振器組�。是在石英基片表面配置若干對(duì)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(lái)選擇電極振子的幾何尺�、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(dá)到濾波的目的。其特點(diǎn)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(dòng)通信�(shè)備中大量使用,是必不可少的初�(jí)中頻濾波器,�(duì)提高整機(jī)靈敏度和抗干擾能力具有重要作�。國(guó)外MCF�(chǎn)品實(shí)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�

單片晶體濾波器

  MCF目前的發(fā)展方向集中在�(kāi)�(fā)新型壓電材料、擴(kuò)展帶寬、減少帶�(nèi)延時(shí)波動(dòng)、增大帶外衰減、擴(kuò)充和提高中頻�(diǎn)和線(xiàn)性度并使封裝尺寸�(jìn)一步小型化和片式化� 下圖為其中最�(jiǎn)單的四電極單片晶體濾波器電路�(jié)�(gòu)及其等效電路。輸入諧振器隨所加信�(hào)電壓而產(chǎn)生厚度切變振�(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�(fā)生反�,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�。這樣依次相傳到輸出諧振器,再�?yōu)殡娦�?hào)。適�(dāng)?shù)卦O(shè)�(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�,從而實(shí)�(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)�(diǎn)是利于調(diào)整工作頻率和抑制寄生頻率�

串聯(lián)單片晶體濾波器

  3.多片晶體濾波器由串聯(lián)的耦合諧振器、并�(lián)的單諧振器和電容器組成下�5。其特點(diǎn)是能在靠近通頻帶的頻率上形成若干衰減峰,有利于抑制干擾和改善濾波性能�

多片晶體濾波器

 ?�?)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(jià)�。但其中心頻率只�4.5�350兆赫,相�(duì)帶寬�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�

  由分立式晶體諧振器和分立式電子元件構(gòu)成的濾波器,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�。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�(hào)相反,又由于變壓器次�(jí)兩端電壓的極性相�,兩臂中的電流同�(hào)相加,所以f1至f3間為濾波器的通頻帶。同�,當(dāng)f<f1和f>f3�(shí),z1和z2同號(hào),兩臂電流異�(hào)相減;所以f1~f3兩側(cè)以外的區(qū)�?yàn)樽鑾?。z1=z2�(shí),輸出為�,f、f為無(wú)窮大衰減頻率。分立式晶體濾波器可�(shí)�(xiàn)的中心頻率為10千赫�350兆赫,相�(duì)帶寬�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(shí)指標(biāo)低于差接橋型,而且在規(guī)定帶�(nèi)波動(dòng)指標(biāo)的前提下,帶寬受到限制等多方面原�,在�(wú)�(xiàn)電設(shè)備中較難看到,相反因其電路簡(jiǎn)�,在�(yè)余愛(ài)好者的DIY制作中比較常�(jiàn)(業(yè)余愛(ài)好者的套件一般只提帶�(nèi)波動(dòng)、插入損�、阻帶衰�、矩形系�(shù),絕不談群延�(shí)指標(biāo)��

使用注意事項(xiàng)

  石英晶體濾波器在使用�(shí)�(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�(shí),濾波特性會(huì)變差,引起通帶波動(dòng)增大,插損增�。當(dāng)外電路阻抗低于濾波器特性阻抗時(shí),中心頻率將下移,反之上移。濾波器的測(cè)試或使用�(yīng)符合以下原理圖:

原理圖

  信號(hào)�+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(shí)有并接電容要�,應(yīng)按上圖連接�

  2.合理的測(cè)量電平:如同晶體�(duì)激�(lì)電平的要求一�,濾波器中其核心元件仍是晶體,因此激�(lì)電平在沒(méi)有規(guī)定時(shí),一般選0dB作為輸入電平�

  3.良好的屏蔽:�(duì)濾波器的輸入端和輸出端�(jìn)行良好屏�,以使信�(hào)源的能量不能直接耦合到負(fù)載端。對(duì)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�(xiàn)原理。濾波器在線(xiàn)路上�(shí)�(yīng)盡可能采用大面積接地,并將輸入、輸出端隔離,保證濾波器的阻帶衰��

�(yīng)用及技�(shù)指標(biāo)

  凡是需要將有用的頻率信�(hào)和無(wú)用的頻率信號(hào)分開(kāi)并將�(wú)用信�(hào)抑制下去的地方都可以使用濾波�。例如:通信、導(dǎo)航等做中頻濾波,儀�、儀�、控制中作信�(hào)提純�

  主要技�(shù)指標(biāo)�

  1.中心頻率 (標(biāo)�(chēng)頻率�

  2.通帶寬度

  3.通帶波動(dòng)

  4.插入損�

  5.阻帶衰減

  6.阻帶范圍

  7.寄生響應(yīng)

  8.群延�

初步�(shè)�(jì)和加工制�

  濾波器的�(shè)�(jì)從最�(kāi)始的定K式濾波器、m�(dǎo)出濾波器到象參數(shù)法設(shè)�(jì)的濾波器,都是按照設(shè)�(jì)出的�(xiàn)路的性能去接近對(duì)濾波器的要求,一般把這種�(shè)�(jì)方法叫做分析法設(shè)�(jì)。隨著計(jì)算機(jī)性能的發(fā)展和提高,可以按照濾波器的要求來(lái)�(jì)算出濾波�(xiàn)路及其元件數(shù)�,這也叫做綜合法設(shè)�(jì)。而且已經(jīng)有人把各種濾波器的性能要求和滿(mǎn)足這種要求的濾波線(xiàn)路及其元件數(shù)值制作成表格供設(shè)�(jì)者查�,設(shè)�(jì)者只需�(jìn)行簡(jiǎn)單的�(jì)算即可完成設(shè)�(jì)。對(duì)于晶體濾波器�(lái)�(shuō),從2極點(diǎn)�12極點(diǎn)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(shí)際晶體濾波器的制作中,都用加一�(gè)差接變量器的差接橋型濾波器來(lái)等效格型濾波�。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�(shí)際應(yīng)用中除了匹配阻抗不同(相�1倍)以外,沒(méi)有什么區(qū)別,還為輸入輸出提供了公共接地線(xiàn),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�(diǎn)�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�(diǎn)。因此更需要采用能陷公式來(lái)確定鍍膜返回量或者確定電極尺寸�

  2.變量器加工:�(shè)�(jì)原則:變量器的帶寬要�(yuǎn)大于濾波器的帶寬,變量器的并�(lián)諧振阻抗�(yuǎn)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(guò)改變變量器的�、次�(jí)所繞的圈數(shù)比來(lái)�(shí)�(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�(xiàn)圈用雙線(xiàn)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)�(jì):節(jié)與節(jié)之間能分隔開(kāi),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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