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有源窄带晶体滤波器
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:3183    【收藏本页】

国营前锋无线电仪器厂 向天明
    • 概述
    • 基本原理
    • 电路的选择
    • 晶体谐振器的计算

    在无线电测量仪器、通讯设备、遥控遥测及其他无线电设备中,常常需要通带非常窄的带通滤波器,它对于提高这些无线电测量仪器和设备的性能起着极为重要的作用。这些滤波器要求其频率从数千赫到数十千兆赫,相对带宽小到目前为止0.1%-0.01%,有的要求宽带为几十赫,甚至1赫。

    能完成上述要求的窄带滤波器,有机械滤波器(包括音叉滤波器、音片滤波器、棒状或圆片状滤波器),陶瓷滤波器和晶体滤波器。概况地说,音片、音叉滤波器适用于

    20KHZ以下;圆片、棒状滤波器适用于600KHZ以下;陶瓷滤波器、晶体滤波器适用以上所有的频率,但晶体滤波器的Q值远较陶瓷滤波器高,能实现更窄的带宽。

    本文介绍一种新型的滤波器--有源窄带晶体滤波器,可达到上述要求,有比无源晶体滤波器更窄的带宽。无论是有源或是无源晶体滤波器都采用晶体谐振器作谐振元件。无源晶体滤波器要求晶体谐振器(以下称做谐振器或晶体)的等效电感Lm很严,难以做到。然而有源晶体滤波器要求谐振器的Lm不严格,只较严格地要求Co,易于生产。

    众所周知,一块单晶体谐振器具有等效电感Lm、等效电容Cm、等效损耗电阻rm、和结构电容Co 如果省掉rm,可以视为理想的三元件二端网路,那么它有一个串联谐振频率fO和一个并联谐振频率的fr。将一块谐振器串联在两级放大器之间,利用它的串联谐振特性,获得一个通带很窄的选择放大器、其中心fO而定,通带宽度决定于谐振器的Q值。这种串联晶体的选择放大器叫做有源晶体滤波器,然而它的阻带衰减特性差。这种选择放大器特性差的主要原因是由于谐振器的结构电容CO所致,因为阻带频率信号可以通过CO由第一级放大器直接藕合到第二级、频率较高时更为重要。为了克服这一缺点,则希望设置另一通路,以获得与此衰减较大的衰减特性。这就是我们研制的有源晶体滤波器,其典型线路如图1所示。

    图一中BG1是一个倒相器,调整射极的电位器R2、便可以使它的射极与集电极的电压相位差180度幅度相等。X1X2是两频相近的晶体谐振器,加在它们上面的幅度相等、相位相反的电压,分别形成如图1所士电流IX1IX2。实际上可以看成一个加法器。由于在晶体谐振器的串联谐振频率点两边具有不同性质的阻抗(低频段为容抗,高频段为感抗),又加有幅度相等,相位相反的电压,故在它们串联谐振点附近两晶体谐振器的阻抗性质相反,则流经BG2输入端的电流是相加,输出信号电压最大,这便构成滤波器的通带;在离开串联谐振频率较远处,两晶体谐振荡器的阻抗性质相同,则流经BG2输入端的电流相互抵消,如果说倒相器使得两通路的相位相差1800,幅度完全相等,那么流经BG2输入端的电流为零,显然BG2便没有信号电压输出,这便是滤波器的阻带。电路中的R3R4是调整两晶体X1X2Q值;C1C2是调整X1X2的频率。对于倒相器的两输出阻抗和BG2的输入阻抗都要尽可能地小,以减少对晶体谐振器Q值的影响。当然,如果晶体谐振器的实际Q值远比所需的Q值大是另一回事。至于BG1BG2的阻抗计算与一般晶体管电路相同,这里不再详细讨论。

    1给出了有源晶体滤波器的典型线路,在低频段(一般在几百KHZ以下)还可以采用运算放大器。然而在高频段,采用集成电路困难,因此必须采用分离元件电路。例如中心频率为30MHZ的有源晶体滤波器,我们选用了fr800MHZ,噪声系数NF≤2.5db的3DG71D来实现分离元件的滤波电路.

    有源晶体滤波器因消除了C

    O对阻带特性的影响,而获得了好的滤波特性,故也可以将图1中X1用于X2中的CO相当的电容C来代替,其电路如图2所示.这样一来,在一节有源滤波器中,就省了一个晶体谐振器,且滤波器的频率衰减特性减低不多,调试也较方便。如果对于衰减特性要求更好的滤波器,使用两节单晶体滤波电路串接,其特性比一节双晶体滤波电路的滤波器好。图2中的C常采用可变电容器,其值在X2晶体谐振器CO值附近,在电路调试中进行调整。

    图3是采用射极跟随器的有源晶体滤波器电路,这是一个具有低阻抗特性的滤波器。众所周知,射集跟随器BG

    3具有高的输入阻抗,低的输出阻抗。将电路接在滤波器的末级,不但实现了滤波器的低阻抗输出,并可减小负载对滤波器特性的影响。

    图4是采用两级电路作倒相器的有源滤波器电路,这种电路的晶体谐振器通路和C通路相互影响小,电路调试方便。L

    晶体谐振器的数量和参数的计算,主要取决于有源滤波器的频率衰减特性。

    图5(a)为巴特沃斯型滤波器特性,它的特点是通带和阻带平滑。图5(b)为契比雪夫型滤波器特性,它的特点阻带平滑,通带内有等波纹,就同样元件(主要指晶体滤波器)来说矩形系数后教前者好。

    下面仅对巴特沃斯型的晶体谐振器进行计算。

    在串有晶体的选择放大器中,晶体谐振器的有效值为。

     

    5.测试与调试

    =ω。Lm / Rs =ω。/ ωp (1)

    其中:

    ω。=2πf

    ωp = 2πfp

    Lm为晶体谐振器的等效电感

    fp为滤波器的3dB带宽

    Rs为晶体谐振器中的等效电阻

    RS是晶体谐振器的等效串联电阻rM与外电路总电阻串联的总电阻。而外电路总电阻又是第一级放大器的输出阻抗、第二级放大器的输入阻抗之和,如果晶体中还串有调节带宽的电阻,则该总电阻还应加上串联电阻值。

    6为不同数量晶体3dB带宽的巴特沃斯型滤波器特性,横轴为3dB带宽与阻带带宽比Δω/ωp(或Δf /fp),纵轴是衰减量,三条曲线为不同数量晶体的衰减特性。在设计滤波器时,我们可以根据要求的阻带特性来确定晶体的数量n

    当晶体的数量确定后,则可求出中心频率两侧的晶体数量。

    mmax=(n+1)/2 ( n为奇数 ) (2)

    mmax=n/2 ( n为偶数 ) (3)

    又滤波器的有效值为θ。

    θ。=f。/fp (4)

    其中fp为滤波器3dB带宽。

    那么,第m个晶体的θ值为θm

    θm=θ。/sin[(2m-1)/n*90°] (5)

    设fam为在f。以上频率第m个晶体的频率,fbm为在fb以下频率的第m个 晶体的频率,则有如下关系。

    fam-fbm=fp cos[(2m-1)/n*90°] (6)

    fam=f。+ fam-fbm /2 (7)

    fbm=f。- fam-fbm /2 (8)

    根据上式有源晶体滤波器中各晶体谐振器的θ值、频率即可求出。

    例如,锁相测试接收机需要一个频率未30MHZ的中频窄带滤波器,3dB带宽为1KHZ,60dB衰减带宽40MHZ输入输出阻抗为50Ω。

    那么我们可以采用图1电路,查图6得知晶体谐振器选两个即、则60dB衰减带宽为32KHZ,可见满足给定要求。

    由(1)~(7)式得晶体谐振器参数:

    fam=3000353.5HZ θa=42432.8

    fbm=2999646.5HZ θb=42432.8

    实际使用晶体之频率严格按此要求,而θ值应大于θa,θb、因还必须考虑电路参数和适当调节带宽的串联电阻对θ值的影响。

    图6 巴特沃斯型有源晶体滤波器特性(3dB带宽)

    以我们研制的

    30MHZ单晶体有源滤波器为例,其电路见图3
    1. 滤波器的测试
    2. 滤波器的测试

    本滤波器测试电路与一般相同。由于滤波器的通带很窄,因此要求信号源的频率分辨率高,最好为1HZ。这里用国产PZ-1型频率合成器,频率范围50KHZ-50MHZ,分辨率1HZ。也可以选用频率分辨率高频谱仪。

     

    无论是上述哪一种有源晶体滤波器电路,其调试方法都大致相同。首先调好各级晶体管的工作点,再调倒相器,使其两通路的幅度相等(称之为幅度平衡),然后调整代替晶体谐振器的电容C,使滤波器满足予定要求,衰减特性对称,而且陡峭。

    1)“幅度平衡”有两种调整方法

    (a)失谐平衡法

    将信号源频率调在离晶体滤波器通带频率较远的频率点上,如果两通道阻抗相等(即倒相器的负荷相等),一般可调R4使BG1倒相器的射极与集电极输出信号相等。如30MHZ滤波器选用30MHZ+800KHZ点进行调平衡。

    (b)“中点”调平衡法

    将信号源的频率调在滤波器中心频率处,调整R4使滤波器输出最大,这时滤波器的通带衰减很小,甚至有增益,而且带宽很窄,但可能出现中心频率的上下阻带不对称,但又可能出现通带衰减较大,故应反复调整,折衷选择为宜。

    2) 抵消电容C 的调整

    电容C是与另一通道晶体谐振器的C0值,然而装在电路中有分布电容及BG1、BG2的输出、输入阻抗影响,故在实际制作时应调整。此电容对滤波器阻带对称性、陡峭度影响很大,需仔细调整,一般调到阻带特性对称为宜。

    3) 通带宽度的调整

    滤波器通带宽度与晶体谐振器的值直接有关,晶体谐振器值越高则带宽越窄,反之带宽越宽。在调整过程中改变了BG1的射极电阻,这直接影响了晶体谐振器的值,改变了滤波器的带宽。为了有效地调整滤波器的带宽,可在晶体上串联一个电位器,如图1所示的R3、R4。例如图3中串一个电阻50 时,带宽为670HZ;串一个100电阻时,带宽为950HZ。但串联电阻太大时,滤波器的选择性很差,因此最好不串联电阻。由于窄带滤波器带宽精细,也可在晶体上串一个适当的电容进行调整。

    30MHZ一节单晶体有源滤波器实测数据如图7,主要特性如下。

    中心频率: f0=30MHZ

    阻抗: R=50

    3dB带宽 f=810HZ

    通带衰减: B0≤2.3DB

    阻带防卫度:B>30dB(在f0±15KHZ处衰减量减去通带衰减量)

    图7 一节30MHZ单晶体有源滤波器实测特性

    6.结语

    有源晶体滤波器不但可实现非常窄的带宽,而且调试、制作极为方便。
    基于有源滤波器原理,也可以采用陶瓷振子、附有换能器的机械子作成有源滤波器,统称为“有谐振子滤波器”,有机会在讨论。

    注:本文发表在《电子测量技术》1981第三期


     

    3、C5和R10组成一并联谐振回路,调谐在滤波器的中心频率上,R10可以改变回路的带宽,此回路可有效地消除由于晶体产生的寄生峰(即寄生通带)。