晶体滤波器crystal filter,用晶体谐振器组成的滤波器。与LC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。
简介
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L.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发展。
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。钽酸锂或铌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。
革新
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。钽酸锂或铌酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大,适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。(见
压电器件)。 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图1。其中,L1、C1和R1分别代表晶体谐振器的动态电感、动态电容和动态电阻;C0为晶体支架和电极间的静态电容。R1通常很小,可忽略不计。这样,图1a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f1、f2以及比值f2/f1分别为
比值 f2/f1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C1减小、f1升高;而外接一个并联电容器,则等效于C0增大、f2降低。两者均可缩小f1与f2之间的间隔,即缩窄通频带。如果串接或并接电感器,则将增大频率间隔,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达到30~35兆赫。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,串、并联谐振频率的间隔越小。
70年代发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%。
分类
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图2b 和c。在f1至f3之间,z1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f1至f3间为滤波器的通频带。同理,当ff3时,z1和z2同号,两臂电流异号相减;所以f1~f3两侧以外的区域为阻带。z1=z2时,输出为零。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%。
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 由镀在AT切(见石英晶体)石英片上若干对电极形成的耦合谐振器组成。图3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,从而使绝大部分能量陷落在电极区内,少量泄漏的能量则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 由若干用电容耦合的单片晶体滤波器组成(图4)。其优点是利于调整工作频率和抑制寄生频率。
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(图5)。其特点是能在靠近通频带的频率上形成若干衰减峰,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4.5~350兆赫,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。
单片晶体滤波器
采用集成工艺在压电基片上镀上若干对电极,如图6(a)所示。每对电极构成一个谐振元件,基片两端的电极还兼有机电换能功能,极间部分起耦合元件的作用,其等效电路如图6(b),这是一个带通滤波器。
单片晶体滤波器采用集成工艺,有体积小、稳定性高、成本低等优点;通常做成带通,主要采用石英晶体作基片,工作频段在5~200MHz,相对带宽约为0.01%~0.3%。由于其工作原理和机械滤波器相同,也称作单片机械滤波器,这种滤波器也可用多块单片组成,以降低工艺要求。