晶体滤波器基础知识详解

晶体滤波器基础知识详解

晶体滤波器以高频率稳定度和频率衰减特性陡峭在滤波技术中，晶体滤波器主要由特殊设计的石英谐振器构成，天然石英晶体器少而昂贵，现代用水热法培育人造石英晶体技术相当成熟且能成批生产，如性能良好的压电晶体有铌酸锂、钥酸锂等。石英晶体采用的石英片是按一定方位从晶体中切割而成，按切割方位角不同而分为AT、BT、CT、DT、ET、GT等不同切型。

石英晶体谐振器

1、石英晶体谐振器特性 石英晶体是具有正反压电效应各向异性的结晶体，有非常稳定的物理特性和化学特性，并具有弹性振动损耗小、机械强度大等优点。石英晶体和其它弹性体一样，存在由惯性和弹性所决定的固有振动频率。当石英有固有振动频率与外电源频率相等时，石英晶体就产生谐振，具有振荡电路特性，它的谐振频率等于晶体的机械振动的固有频率。

石英晶体有良好的频率温度特性图5.1-9给出几种典型切型频率温度特性曲线。

图5.1-9 几种切型的频率温度特性曲线

由图可知AT切型在-55~+85度之间频率变化都很小，特别是在-20~+40度范围内，频率基本上与温度无关。

2、石英谐振器等交电路及电抗频率特性

（1）石英谐振器等效电路 模拟晶体谐振点附近情况，它相当于一个串联谐振电路，因此可用集中参数LS、CS、RS来等效，LS称之动态电感，CS称之动态电容，RS称之动态电阻，其基频等效电路见图5.1-10

图5.1-10 石英谐振器基频等效电路

图中右边支路的电容C0称为石英谐振器的静电容。它是以石英为介质在两极板间形成的电容，其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积，可用下式表示；

式中E为石英的介电常数；S为极板面积；D为石英片厚度。

C0一般在几皮法到几十皮法之间。

石英晶体的Q值非常高，是一般LC振荡回路远所不及，Q值与动态参数关系为

目前广泛使用的AT切型密封谐振器Q值，一般为（50~300）*10的3次方，而精密型的Q值可达（1~5）*10的8次方。

（2）石英谐振器等效电路电抗频率特性 由等效电路可知，有两个谐振角频率，一为左支路的串联谐振角频率WS，即石英片本身自然角频率

另一石英谐振器的并联谐振角频率

当忽略动态电阻RS的影响时，由石英晶体和等效电路可求其效电抗X。

其电抗频率特性曲线示于图5.1-11。

图5.1-11 石英谐振器电抗频率特性

由图5.1-11可见当W大于WPW、W小于WS时电抗JX为容性；当W在WS、WP之间时，电抗JX为感性。

石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间的宽度，通常决定滤波器的通带宽度。为要加宽滤波器的通带宽度，则必须加宽石英晶体两谐振频率之间的宽度，这通常可用外加电感与石英晶体串联或并联的方法来实现。

表5.1-8示出部分石英晶体的主要性能。

设计晶体滤波器也有两种方法：一是影象参数法；另一是有效参数法（即综合法）。综合法是目前广泛采用的有效方法。在许多现代电子设备中应用最多的是带通晶体滤波器，按其频带分类有察窄带、中等带宽、宽带三类，其相对带宽分别为小于0.1%以下、0.1%~1%和大于1%。

带通晶体滤波器中，以差接桥型或称之格型应用最为普遍，差接桥型电路实际上是惠斯登电桥电路。其典型形式有以下两种：

1、窄带差接桥型带通晶体滤波器 此种滤波器的零件参数是由网络综合法设计计算得出的。先将全极点归一化低通LC梯型电路转换成带通梯型电路，然后再由巴尔特勒特中剖定理，将梯型电路变换差接型电路或桥型电路或桥型电路，并用晶体谐振器等效来实现。窄带差接桥型带通晶体滤波器电路的设计请参阅文献（7）。

2、宽带差接桥型带通晶体滤波器的设计 表5.1-9列出了个设计公式和例子。

晶体滤波器定型产品的选用

目前，国内外都已经生产出具有一定技术指标的晶体滤波器系列产品。现只介绍我国某著名厂家的两大类型产品如下。

1、通用型晶体滤波器

表5.1-11示出通用型晶体滤波器主要性能参数。

2、单片晶体滤波器

在单片晶体滤波器中又以集成式单片晶体滤波器性能为佳，它和普通分立式晶体滤波器相比，有更多优点：体积小，温度稳定性和机械稳定性都好，生产周期短，成本低，适合大批量生产。自60年代集成晶体滤波器问世以来，世界各国竟先研制，取得很大发展。直到目前，频率范围从3MHZ到180MHZ，相对带宽在0.002%~0.35%之间单片晶体滤波器已得到了广泛应用，低于5MHZ和高达35.0MHZ的集成式单片晶体滤波器早已研制成功。

集成式单片晶体滤波器主要用于通信系统之外，一般的测量和综合也广泛应用，用来提纯频谱、消除寄生信号和混杂的谐波成分等。

55.1-12列出部分单片晶体滤波器主要性能参数。