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更多>>石英晶體濾波器帶寬類別
來源：http://diginow.com.cn 作者：康比電子 2019年01月12
濾波器是電子產(chǎn)品中使用較多的一款頻率元器件,按照濾波器可分為多種分類,如陶瓷濾波器,石英晶體濾波器,聲表面濾波器,帶通濾波器等分類,均是使用較多的元器件,所應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣泛,如家用電器,辦公自動化等領(lǐng)域中.那么該章節(jié)主要講述單片晶體濾波器(MCF)和離散晶體濾波器設(shè)計技術(shù).
基于石英晶體的濾波器設(shè)計技術(shù)有兩種:單片晶體濾波器(MCF)和離散晶體濾波器.MCF是通過在壓電基板(例如石英坯料)上安裝電極并使用在電極之間發(fā)生的機械組合來實現(xiàn)濾波器特性的濾波器.與分立晶體濾波器相比,MCF通常更小,更可靠并且更具成本效益,因為它們使用更少的元件并且具有更少的互連.大多數(shù)MCF是對稱帶通濾波器.此外,在VHF范圍內(nèi),MCF方法允許泛音上的帶寬,如果使用分立晶體濾波器設(shè)計,則只能用更昂貴的基模諧振器實現(xiàn).另一方面,分立晶體諧振濾波器具有比MCF更好的功率處理能力.對于非常窄或非常寬的帶寬,它們可能是更好的設(shè)計選擇,因為它們在網(wǎng)絡(luò)拓撲中具有更大的靈活性.這允許設(shè)計具有急劇不對稱的單邊帶性能的網(wǎng)絡(luò),這對于單片設(shè)計是難以實現(xiàn)的.MCF最初是由Toyocom于1962年在日本開發(fā)的,從那時起,開發(fā)了多種高可靠性濾波器,適用于小型封裝的寬頻率范圍.如今,MCF是無線電通信設(shè)備中使用最廣泛的頻率控制組件之一.
2.晶體濾波器帶寬類別
由于石英的材料特性所帶來的帶寬限制(在諧振器等效電路中由靜態(tài)與動態(tài)電容C0/C1的比率表示),晶體濾波器(單片和離散)通常根據(jù)分數(shù)帶寬分類如下:
窄帶晶體濾波器
窄帶濾波器是這樣一種濾波器,其中可以設(shè)計網(wǎng)絡(luò),使得可以在不使用電感器的情況下容納晶體靜態(tài)電容.石英晶體諧振器等效電路的電容比C0/C1確定無電感窄帶晶體濾波器的最大帶寬.對于使用基模AT切割石英晶振的濾波器,在理想條件下,該最大帶寬約為中心頻率的0.32％.如果所需帶寬超過此限制,則必須更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以包含電感器.
中頻帶晶體濾波器
中頻帶濾波器使用電感器來消除由諧振器C0提供的過量電容加上不可避免的雜散電容.大多數(shù)中頻帶設(shè)計使用分立諧振器,但它們可能包含單片雙諧振器.對于基模諧振器,帶寬在0.3％和1.0％之間.雜散響應(yīng)有時會出現(xiàn)在濾波器通帶中以及過渡區(qū)域中,并且在濾波器阻帶中通常會相當強.可以通過適當?shù)脑O(shè)計策略來控制這些虛假響應(yīng),以實現(xiàn)所需的性能.
寬帶晶體濾波器
寬帶晶體濾波器通過使用電感器為濾波器響應(yīng)提供極點,同時適應(yīng)諧振器靜態(tài)電容,提供晶振和LC濾波器之間的最終連接.因此,濾波器響應(yīng)對電感和Q值非常敏感,如果要保持性能,則需要對電感進行精確的溫度補償.帶寬介于中心頻率的1％到10％之間.通常使用分立諧振器.當使用AT切割晶體時,濾波器通帶和過渡區(qū)域中通常會出現(xiàn)寄生響應(yīng).
3.衰減規(guī)格
衰減是信號通過雙端口網(wǎng)絡(luò)(如濾波器)時產(chǎn)生的功率損耗(以dB為單位).絕對衰減可定義為相對于負載與源的直接連接或可用源功率的衰減.對于共軛或電阻以及相等的源和負載阻抗,這兩個定義是等效的.相對衰減是相對于參考測量的衰減,通常是最小損耗點(最大透射率).保證衰減是指定頻率下的最大保證衰減.
陶瓷濾波器
4.響應(yīng)特征
濾波器設(shè)計的類型取決于所需的響應(yīng)特性.濾波器設(shè)計的復(fù)雜性和濾波器中使用的晶體數(shù)量取決于所需的形狀因子和衰減.常見的設(shè)計類型將在下面討論.
貝塞爾或線性相位:濾波器的傳遞函數(shù)是從貝塞爾多項式導(dǎo)出的.它產(chǎn)生的濾波器在中心頻率附近具有平坦的延遲.使用的極越多,平坦區(qū)域越寬.滾降率很差.這種類型的濾波器接近高斯濾波器.它具有較差的VSWR并且在較寬帶寬下失去其最大平坦延遲特性.
Butterworth:濾波器的傳遞函數(shù)提供最大的平坦幅度.選擇性優(yōu)于高斯濾波器或貝塞爾濾波器,但是以延遲和相位線性度為代價.對于大多數(shù)帶通設(shè)計,中心頻率的VSWR非常好.巴特沃斯濾波器通常對元素值的變化最不敏感.
Chebyshev:濾波器的傳遞函數(shù)僅來自通帶中的Chebychev等紋波函數(shù).這些濾波器提供橢圓函數(shù)濾波器和巴特沃斯濾波器之間的性能.對于大多數(shù)應(yīng)用,這是優(yōu)選的濾波器類型,因為它們提供了改進的選擇性,并且通過該近似獲得的網(wǎng)絡(luò)是最容易實現(xiàn)的.
橢圓函數(shù):通帶紋波類似于切比雪夫,但由于增加了有限的衰減峰值,阻帶選擇性大大提高.與Butterworth或Chebyshev相比,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性有所增加,但它仍然在幾乎整個運營區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了實際的實現(xiàn).
高斯:濾波器的傳遞函數(shù)是從高斯函數(shù)導(dǎo)出的.高斯濾波器的階躍和脈沖響應(yīng)具有零過沖.上升時間和延遲是傳統(tǒng)傳遞函數(shù)中最低的.這些特性是以昂貴的選擇性差,元素靈敏度高和元素值的非常廣泛的方式獲得的.高斯濾波器與貝塞爾非常相似,不同之處在于延遲在中心頻率處具有輕微的"駝峰"并且滾降速率較慢.由于延遲響應(yīng),振鈴特性優(yōu)于貝塞爾.實現(xiàn)限制也適用于這些過濾器.
同步調(diào)整:這些濾波器具有與貝塞爾和高斯相同的優(yōu)點和缺點,除了振鈴響應(yīng)是所有設(shè)計類型中最好的并且滾降比高斯更慢.與其他兩種類型一樣,某些實現(xiàn)限制適用.
切比雪夫階段錯誤:在該近似中,切比雪夫近似技術(shù)應(yīng)用于通帶區(qū)域上的相位(延遲).它產(chǎn)生類似于高斯或貝塞爾設(shè)計的鐘形幅度響應(yīng)和等波紋相位和延遲響應(yīng).選擇性優(yōu)于貝塞爾或高斯.
高斯到6(或12)dB:該近似具有遵循高斯形狀的通帶響應(yīng),并且在6或12dB點處,響應(yīng)改變并遵循巴特沃斯特性.相對于嚴格的Butterworth,相位或延遲響應(yīng)有所改善,并且衰減優(yōu)于純高斯,因此它是真正的折衷類型的近似.與試圖控制相位響應(yīng)的所有濾波器一樣,實現(xiàn)變得更加困難,因此其操作區(qū)域受到輕微限制.
5.晶體溫度濾波器的穩(wěn)定性
有一些晶體濾波器建在1MHz以下,但今天,大多數(shù)都在上面并使用AT切割晶體.雖然線圈或其他因素會影響穩(wěn)定性,但壓電石英晶體是主要的控制元件,而在某些過濾器中,如MCF是唯一的.因此,穩(wěn)定性可與AT切割晶體的穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián).頻率變化與溫度的關(guān)系遵循立方特性,如下所示.通過從晶棒切割單個晶體坯料的角度的微小變化來控制曲線族的變化.通過僅改變兩分鐘的弧度,每條曲線與相鄰曲線偏移.設(shè)計人員將選擇合適的曲線(角度),以在指定的溫度范圍內(nèi)給出最小偏差.
6.晶體濾波器的頻率和帶寬
聲表面濾波器
晶體濾波器的中心頻率范圍從幾千赫茲到幾百兆赫茲,但最佳工作區(qū)域落在晶體的尺寸和工作參數(shù)接近其最佳值的地方.
"低"頻率濾波器的最佳工作范圍是從大約100kHz到800kHz,帶寬位于下圖中.
"中"頻率晶體的最佳工作范圍介于約2MHz和50MHz之間.注意,這留下了未覆蓋的800kHz和2MHz之間的頻帶.這并不意味著晶體濾波器不能在此范圍內(nèi)構(gòu)建;它只意味著它更難,因此更昂貴.
中心頻率高于30MHz的石英晶體濾波器可以使用泛音模式晶體或高頻基波來構(gòu)建.泛音具有更高的Q值并且適用于更窄的帶寬,而基波具有更低的阻抗并且用于更寬的帶寬.然而,所有晶體都具有寄生響應(yīng),并且雜散通常發(fā)生在通帶的高側(cè).這種雜散特性限制了可以實現(xiàn)濾波器的最大帶寬.
7.中心頻率和標稱頻率
中心頻率是規(guī)范中的給定頻率,其他頻率可以參考,而標稱頻率是中心頻率的標稱值,并且用作指定相對衰減水平的參考頻率.在帶通和帶阻濾波器中,Fon表示標稱中心頻率;Fo表示單個濾波器的實際或測量中心頻率,通常定義為:
Fo=(fl×fu)½
其中fl和fu是測量的較低和較高的通帶限制,通常是3dB的衰減頻率.有時,相對于實際或測量的濾波器中心頻率指定頻率更方便.當然,Fo的值將隨著溫度和時間的變化而在單元之間和相同單元內(nèi)變化.因此,必須存在與Fo相關(guān)的公差,允許溫度,老化和制造公差.
基于石英晶體的濾波器設(shè)計技術(shù)有兩種:單片晶體濾波器(MCF)和離散晶體濾波器.MCF是通過在壓電基板(例如石英坯料)上安裝電極并使用在電極之間發(fā)生的機械組合來實現(xiàn)濾波器特性的濾波器.與分立晶體濾波器相比,MCF通常更小,更可靠并且更具成本效益,因為它們使用更少的元件并且具有更少的互連.大多數(shù)MCF是對稱帶通濾波器.此外,在VHF范圍內(nèi),MCF方法允許泛音上的帶寬,如果使用分立晶體濾波器設(shè)計,則只能用更昂貴的基模諧振器實現(xiàn).另一方面,分立晶體諧振濾波器具有比MCF更好的功率處理能力.對于非常窄或非常寬的帶寬,它們可能是更好的設(shè)計選擇,因為它們在網(wǎng)絡(luò)拓撲中具有更大的靈活性.這允許設(shè)計具有急劇不對稱的單邊帶性能的網(wǎng)絡(luò),這對于單片設(shè)計是難以實現(xiàn)的.MCF最初是由Toyocom于1962年在日本開發(fā)的,從那時起,開發(fā)了多種高可靠性濾波器,適用于小型封裝的寬頻率范圍.如今,MCF是無線電通信設(shè)備中使用最廣泛的頻率控制組件之一.
2.晶體濾波器帶寬類別
由于石英的材料特性所帶來的帶寬限制(在諧振器等效電路中由靜態(tài)與動態(tài)電容C0/C1的比率表示),晶體濾波器(單片和離散)通常根據(jù)分數(shù)帶寬分類如下:
窄帶晶體濾波器
窄帶濾波器是這樣一種濾波器,其中可以設(shè)計網(wǎng)絡(luò),使得可以在不使用電感器的情況下容納晶體靜態(tài)電容.石英晶體諧振器等效電路的電容比C0/C1確定無電感窄帶晶體濾波器的最大帶寬.對于使用基模AT切割石英晶振的濾波器,在理想條件下,該最大帶寬約為中心頻率的0.32％.如果所需帶寬超過此限制,則必須更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以包含電感器.
中頻帶晶體濾波器
中頻帶濾波器使用電感器來消除由諧振器C0提供的過量電容加上不可避免的雜散電容.大多數(shù)中頻帶設(shè)計使用分立諧振器,但它們可能包含單片雙諧振器.對于基模諧振器,帶寬在0.3％和1.0％之間.雜散響應(yīng)有時會出現(xiàn)在濾波器通帶中以及過渡區(qū)域中,并且在濾波器阻帶中通常會相當強.可以通過適當?shù)脑O(shè)計策略來控制這些虛假響應(yīng),以實現(xiàn)所需的性能.
寬帶晶體濾波器
寬帶晶體濾波器通過使用電感器為濾波器響應(yīng)提供極點,同時適應(yīng)諧振器靜態(tài)電容,提供晶振和LC濾波器之間的最終連接.因此,濾波器響應(yīng)對電感和Q值非常敏感,如果要保持性能,則需要對電感進行精確的溫度補償.帶寬介于中心頻率的1％到10％之間.通常使用分立諧振器.當使用AT切割晶體時,濾波器通帶和過渡區(qū)域中通常會出現(xiàn)寄生響應(yīng).
3.衰減規(guī)格
衰減是信號通過雙端口網(wǎng)絡(luò)(如濾波器)時產(chǎn)生的功率損耗(以dB為單位).絕對衰減可定義為相對于負載與源的直接連接或可用源功率的衰減.對于共軛或電阻以及相等的源和負載阻抗,這兩個定義是等效的.相對衰減是相對于參考測量的衰減,通常是最小損耗點(最大透射率).保證衰減是指定頻率下的最大保證衰減.
陶瓷濾波器
濾波器設(shè)計的類型取決于所需的響應(yīng)特性.濾波器設(shè)計的復(fù)雜性和濾波器中使用的晶體數(shù)量取決于所需的形狀因子和衰減.常見的設(shè)計類型將在下面討論.
貝塞爾或線性相位:濾波器的傳遞函數(shù)是從貝塞爾多項式導(dǎo)出的.它產(chǎn)生的濾波器在中心頻率附近具有平坦的延遲.使用的極越多,平坦區(qū)域越寬.滾降率很差.這種類型的濾波器接近高斯濾波器.它具有較差的VSWR并且在較寬帶寬下失去其最大平坦延遲特性.
Butterworth:濾波器的傳遞函數(shù)提供最大的平坦幅度.選擇性優(yōu)于高斯濾波器或貝塞爾濾波器,但是以延遲和相位線性度為代價.對于大多數(shù)帶通設(shè)計,中心頻率的VSWR非常好.巴特沃斯濾波器通常對元素值的變化最不敏感.
Chebyshev:濾波器的傳遞函數(shù)僅來自通帶中的Chebychev等紋波函數(shù).這些濾波器提供橢圓函數(shù)濾波器和巴特沃斯濾波器之間的性能.對于大多數(shù)應(yīng)用,這是優(yōu)選的濾波器類型,因為它們提供了改進的選擇性,并且通過該近似獲得的網(wǎng)絡(luò)是最容易實現(xiàn)的.
橢圓函數(shù):通帶紋波類似于切比雪夫,但由于增加了有限的衰減峰值,阻帶選擇性大大提高.與Butterworth或Chebyshev相比,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性有所增加,但它仍然在幾乎整個運營區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了實際的實現(xiàn).
高斯:濾波器的傳遞函數(shù)是從高斯函數(shù)導(dǎo)出的.高斯濾波器的階躍和脈沖響應(yīng)具有零過沖.上升時間和延遲是傳統(tǒng)傳遞函數(shù)中最低的.這些特性是以昂貴的選擇性差,元素靈敏度高和元素值的非常廣泛的方式獲得的.高斯濾波器與貝塞爾非常相似,不同之處在于延遲在中心頻率處具有輕微的"駝峰"并且滾降速率較慢.由于延遲響應(yīng),振鈴特性優(yōu)于貝塞爾.實現(xiàn)限制也適用于這些過濾器.
同步調(diào)整:這些濾波器具有與貝塞爾和高斯相同的優(yōu)點和缺點,除了振鈴響應(yīng)是所有設(shè)計類型中最好的并且滾降比高斯更慢.與其他兩種類型一樣,某些實現(xiàn)限制適用.
切比雪夫階段錯誤:在該近似中,切比雪夫近似技術(shù)應(yīng)用于通帶區(qū)域上的相位(延遲).它產(chǎn)生類似于高斯或貝塞爾設(shè)計的鐘形幅度響應(yīng)和等波紋相位和延遲響應(yīng).選擇性優(yōu)于貝塞爾或高斯.
高斯到6(或12)dB:該近似具有遵循高斯形狀的通帶響應(yīng),并且在6或12dB點處,響應(yīng)改變并遵循巴特沃斯特性.相對于嚴格的Butterworth,相位或延遲響應(yīng)有所改善,并且衰減優(yōu)于純高斯,因此它是真正的折衷類型的近似.與試圖控制相位響應(yīng)的所有濾波器一樣,實現(xiàn)變得更加困難,因此其操作區(qū)域受到輕微限制.
5.晶體溫度濾波器的穩(wěn)定性
有一些晶體濾波器建在1MHz以下,但今天,大多數(shù)都在上面并使用AT切割晶體.雖然線圈或其他因素會影響穩(wěn)定性,但壓電石英晶體是主要的控制元件,而在某些過濾器中,如MCF是唯一的.因此,穩(wěn)定性可與AT切割晶體的穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián).頻率變化與溫度的關(guān)系遵循立方特性,如下所示.通過從晶棒切割單個晶體坯料的角度的微小變化來控制曲線族的變化.通過僅改變兩分鐘的弧度,每條曲線與相鄰曲線偏移.設(shè)計人員將選擇合適的曲線(角度),以在指定的溫度范圍內(nèi)給出最小偏差.
6.晶體濾波器的頻率和帶寬
聲表面濾波器
"低"頻率濾波器的最佳工作范圍是從大約100kHz到800kHz,帶寬位于下圖中.
"中"頻率晶體的最佳工作范圍介于約2MHz和50MHz之間.注意,這留下了未覆蓋的800kHz和2MHz之間的頻帶.這并不意味著晶體濾波器不能在此范圍內(nèi)構(gòu)建;它只意味著它更難,因此更昂貴.
中心頻率高于30MHz的石英晶體濾波器可以使用泛音模式晶體或高頻基波來構(gòu)建.泛音具有更高的Q值并且適用于更窄的帶寬,而基波具有更低的阻抗并且用于更寬的帶寬.然而,所有晶體都具有寄生響應(yīng),并且雜散通常發(fā)生在通帶的高側(cè).這種雜散特性限制了可以實現(xiàn)濾波器的最大帶寬.
7.中心頻率和標稱頻率
中心頻率是規(guī)范中的給定頻率,其他頻率可以參考,而標稱頻率是中心頻率的標稱值,并且用作指定相對衰減水平的參考頻率.在帶通和帶阻濾波器中,Fon表示標稱中心頻率;Fo表示單個濾波器的實際或測量中心頻率,通常定義為:
Fo=(fl×fu)½
其中fl和fu是測量的較低和較高的通帶限制,通常是3dB的衰減頻率.有時,相對于實際或測量的濾波器中心頻率指定頻率更方便.當然,Fo的值將隨著溫度和時間的變化而在單元之間和相同單元內(nèi)變化.因此,必須存在與Fo相關(guān)的公差,允許溫度,老化和制造公差.
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