晶體濾波器

晶體濾波器crystal filter，用晶體諧振器組成的濾波器。與LC諧振迴路構成的濾波器相比，晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩定性、過渡帶陡度和插入損耗等方面都優越得多，已廣泛用於通信、導航、測量等電子設備。

基本介紹

• 中文名：晶體濾波器
• 外文名：crystal filter
• 簡介：用晶體諧振器組成的濾波器
• 用於：通信、導航、測量等電子設備

簡介

1921年W.G.凱地將晶體諧振器用於各種調諧電路 ，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於真正的濾波電路 。1931年W.P.梅森又把它用於格型濾波器。60年代中期，集成式晶體濾波器研製成功，晶體濾波器在小型化方面有了很大發展。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係數和頻率常數較大，適用於製做高頻寬頻通濾波器。其他壓電材料因溫度穩定性較差，很少採用。

革新

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係數和頻率常數較大，適於製做高頻寬頻通濾波器。其他壓電材料因溫度穩定性較差，很少採用。（見壓電器件）。 　當作用於晶體諧振器的電信號頻率等於晶體的固有頻率時，電能通過晶體的逆壓電效應在晶體中引起機械諧振產生機械能;在輸出端,正壓電效應又將這種機械能轉換為電信號。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態電感、動態電容和動態電阻；C0為晶體支架和電極間的靜態電容。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路。諧振器的串聯、並聯諧振頻率f1、f2以及比值f2/f1分別為

圖1a

比值公式

相關公式

比值 f2/f1隨比值C1/C0而異。這個特性可以用來調節晶體濾波器的通頻帶。例如，諧振器外接一個串聯電容器,等效於C1減小、f1升高；而外接一個並聯電容器,則等效於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。如果串接或並接電感器,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到30～35兆赫。工作頻率較高的諧振器大多工作於泛音（高於基頻近奇次倍的振動），但泛音次數越高，串、並聯諧振頻率的間隔越小。

70年代發展起來的離子刻蝕技術能使晶體諧振器的基波頻率接近 500兆赫。但由於外接元件，特別是線圈問題，其泛音頻率也只能做到 600兆赫，相對頻寬約為0.01%～1%。

分類

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的符號相反,又由於變壓器次級兩端電壓的極性相反,兩臂中的電流同號相加,所以f1至f3間為濾波器的通頻帶。同理,當ff3時,z1和z2同號,兩臂電流異號相減;所以f1～f3兩側以外的區域為阻帶。z1=z2時,輸出為零。分立式晶體濾波器可實現的中心頻率為10千赫到350兆赫,相對頻寬為0.01%～10%。

圖2a

圖3

集成式晶體濾波器

採用積體電路工藝製作的晶體濾波器，有單片的、串聯單片的和多片的三種類型。

單片晶體濾波器 　由鍍在AT切（見石英晶體）石英片上若干對電極形成的耦合諧振器組成。圖3為其中最簡單的四電極單片晶體濾波器電路結構及其等效電路。輸入諧振器隨所加信號電壓而產生厚度切變振動，晶片因受電極質量負荷的影響，電極區的諧振頻率比非電極區的低，使彈性波在兩區邊界發生反射,從而使絕大部分能量陷落在電極區內,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，再變為電信號。適當地設計電極尺寸、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，從而實現濾波功能。

圖4

串聯單片晶體濾波器 　由若干用電容耦合的單片晶體濾波器組成（圖4）。其優點是利於調整工作頻率和抑制寄生頻率。

多片晶體濾波器 　由串聯的耦合諧振器、並聯的單諧振器和電容器組成（圖5）。其特點是能在靠近通頻帶的頻率上形成若干衰減峰，有利於抑制干擾和改善濾波性能。

集成式晶體濾波器體積小、可靠性高而且造價低。但其中心頻率只有4.5～350兆赫，相對頻寬為0.01%～0.3%,所以在要求中心頻率低、通頻頻寬的場合尚不能取代分立式晶體濾波器。

圖5

單片晶體濾波器

採用集成工藝在壓電基片上鍍上若干對電極，如圖6（a）所示。每對電極構成一個諧振元件，基片兩端的電極還兼有機電換能功能，極間部分起耦合元件的作用，其等效電路如圖6（b），這是一個帶通濾波器。

單片晶體濾波器採用集成工藝，有體積小、穩定性高、成本低等優點；通常做成帶通，主要採用石英晶體作基片，工作頻段在5～200MHz，相對頻寬約為0.01%～0.3%。由於其工作原理和機械濾波器相同，也稱作單片機械濾波器，這種濾波器也可用多塊單片組成，以降低工藝要求。

圖6