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晶體濾波器基礎知識詳解

晶體濾波器基礎知識詳解

晶體濾波器以高頻率穩定度和頻率衰減特性陡峭在濾波技術中，晶體濾波器主要由特殊設計的石英諧振器構成，天然石英晶體器少而昂貴，現代用水熱法培育人造石英晶體技術相當成熟且能成批生產，如性能良好的壓電晶體有鈮酸鋰、鑰酸鋰等。石英晶體采用的石英片是按一定方位從晶體中切割而成，按切割方位角不同而分為AT、BT、CT、DT、ET、GT等不同切型。

石英晶體諧振器

1、石英晶體諧振器特性 石英晶體是具有正反壓電效應各向異性的結晶體，有非常穩定的物理特性和化學特性，并具有彈性振動損耗小、機械強度大等優點。石英晶體和其它彈性體一樣，存在由慣性和彈性所決定的固有振動頻率。當石英有固有振動頻率與外電源頻率相等時，石英晶體就產生諧振，具有振蕩電路特性，它的諧振頻率等于晶體的機械振動的固有頻率。

石英晶體有良好的頻率溫度特性圖5.1-9給出幾種典型切型頻率溫度特性曲線。

圖5.1-9 幾種切型的頻率溫度特性曲線

由圖可知AT切型在-55~+85度之間頻率變化都很小，特別是在-20~+40度范圍內，頻率基本上與溫度無關。

2、石英諧振器等交電路及電抗頻率特性

（1）石英諧振器等效電路 模擬晶體諧振點附近情況，它相當于一個串聯諧振電路，因此可用集中參數LS、CS、RS來等效，LS稱之動態電感，CS稱之動態電容，RS稱之動態電阻，其基頻等效電路見圖5.1-10

圖5.1-10 石英諧振器基頻等效電路

圖中右邊支路的電容C0稱為石英諧振器的靜電容。它是以石英為介質在兩極板間形成的電容，其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積，可用下式表示；

式中E為石英的介電常數；S為極板面積；D為石英片厚度。

C0一般在幾皮法到幾十皮法之間。

石英晶體的Q值非常高，是一般LC振蕩回路遠所不及，Q值與動態參數關系為

目前廣泛使用的AT切型密封諧振器Q值，一般為（50~300）*10的3次方，而精密型的Q值可達（1~5）*10的8次方。

（2）石英諧振器等效電路電抗頻率特性 由等效電路可知，有兩個諧振角頻率，一為左支路的串聯諧振角頻率WS，即石英片本身自然角頻率

另一石英諧振器的并聯諧振角頻率

當忽略動態電阻RS的影響時，由石英晶體和等效電路可求其效電抗X。

其電抗頻率特性曲線示于圖5.1-11。

圖5.1-11 石英諧振器電抗頻率特性

由圖5.1-11可見當W大于WPW、W小于WS時電抗JX為容性；當W在WS、WP之間時，電抗JX為感性。

石英晶體濾波器工作時，石英晶體兩個諧振頻率之間的寬度，通常決定濾波器的通帶寬度。為要加寬濾波器的通帶寬度，則必須加寬石英晶體兩諧振頻率之間的寬度，這通常可用外加電感與石英晶體串聯或并聯的方法來實現。

表5.1-8示出部分石英晶體的主要性能。

設計晶體濾波器也有兩種方法：一是影象參數法；另一是有效參數法（即綜合法）。綜合法是目前廣泛采用的有效方法。在許多現代電子設備中應用最多的是帶通晶體濾波器，按其頻帶分類有察窄帶、中等帶寬、寬帶三類，其相對帶寬分別為小于0.1%以下、0.1%~1%和大于1%。

帶通晶體濾波器中，以差接橋型或稱之格型應用最為普遍，差接橋型電路實際上是惠斯登電橋電路。其典型形式有以下兩種：

1、窄帶差接橋型帶通晶體濾波器 此種濾波器的零件參數是由網絡綜合法設計計算得出的。先將全極點歸一化低通LC梯型電路轉換成帶通梯型電路，然后再由巴爾特勒特中剖定理，將梯型電路變換差接型電路或橋型電路或橋型電路，并用晶體諧振器等效來實現。窄帶差接橋型帶通晶體濾波器電路的設計請參閱文獻（7）。

2、寬帶差接橋型帶通晶體濾波器的設計 表5.1-9列出了個設計公式和例子。

晶體濾波器定型產品的選用

目前，國內外都已經生產出具有一定技術指標的晶體濾波器系列產品。現只介紹我國某著名廠家的兩大類型產品如下。

1、通用型晶體濾波器

表5.1-11示出通用型晶體濾波器主要性能參數。

2、單片晶體濾波器

在單片晶體濾波器中又以集成式單片晶體濾波器性能為佳，它和普通分立式晶體濾波器相比，有更多優點：體積小，溫度穩定性和機械穩定性都好，生產周期短，成本低，適合大批量生產。自60年代集成晶體濾波器問世以來，世界各國竟先研制，取得很大發展。直到目前，頻率范圍從3MHZ到180MHZ，相對帶寬在0.002%~0.35%之間單片晶體濾波器已得到了廣泛應用，低于5MHZ和高達35.0MHZ的集成式單片晶體濾波器早已研制成功。

集成式單片晶體濾波器主要用于通信系統之外，一般的測量和綜合也廣泛應用，用來提純頻譜、消除寄生信號和混雜的諧波成分等。

55.1-12列出部分單片晶體濾波器主要性能參數。