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更多>>石英晶體濾波器帶寬類別
來源：http://www.rxwanggebu.com 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(jì)技術(shù).
基于石英晶體的濾波器設(shè)計(jì)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(jī)械組合來實(shí)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?yàn)樗鼈兪褂酶俚脑⑶揖哂懈俚幕ミB.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(jì),則只能用更昂貴的基模諧振器實(shí)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(jì)選擇,因?yàn)樗鼈冊诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芯哂懈蟮撵`活性.這允許設(shè)計(jì)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(jì)是難以實(shí)現(xiàn)的.MCF最初是由Toyocom于1962年在日本開發(fā)的,從那時(shí)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?jǐn)?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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(dāng)強(qiáng).可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略來控制這些虛假響應(yīng),以實(shí)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(diǎn),同時(shí)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(jìn)行精確的溫度補(bǔ)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(dāng)使用AT切割晶體時(shí),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(shí)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(fù)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(fù)載阻抗,這兩個(gè)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(diǎn)(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(jì)的類型取決于所需的響應(yīng)特性.濾波器設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng)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(jià).對于大多數(shù)帶通設(shè)計(jì),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?yàn)樗鼈兲峁┝烁倪M(jìn)的選擇性,并且通過該近似獲得的網(wǎng)絡(luò)是最容易實(shí)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(gè)運(yùn)營區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了實(shí)際的實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)和缺點(diǎn),除了振鈴響應(yīng)是所有設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)限制適用.
切比雪夫階段錯(cuò)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(jì)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(diǎn)處,響應(yīng)改變并遵循巴特沃斯特性.相對于嚴(yán)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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)濾波器的最大帶寬.
7.中心頻率和標(biāo)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(biāo)稱頻率是中心頻率的標(biāo)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(biāo)稱中心頻率;Fo表示單個(gè)濾波器的實(shí)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(shí),相對于實(shí)際或測量的濾波器中心頻率指定頻率更方便.當(dāng)然,Fo的值將隨著溫度和時(shí)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(jì)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(jī)械組合來實(shí)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?yàn)樗鼈兪褂酶俚脑⑶揖哂懈俚幕ミB.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(jì),則只能用更昂貴的基模諧振器實(shí)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(jì)選擇,因?yàn)樗鼈冊诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芯哂懈蟮撵`活性.這允許設(shè)計(jì)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(jì)是難以實(shí)現(xiàn)的.MCF最初是由Toyocom于1962年在日本開發(fā)的,從那時(shí)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?jǐn)?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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(dāng)強(qiáng).可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略來控制這些虛假響應(yīng),以實(shí)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(diǎn),同時(shí)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(jìn)行精確的溫度補(bǔ)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(dāng)使用AT切割晶體時(shí),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(shí)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(fù)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(fù)載阻抗,這兩個(gè)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(diǎn)(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(jì)的類型取決于所需的響應(yīng)特性.濾波器設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng)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(jià).對于大多數(shù)帶通設(shè)計(jì),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?yàn)樗鼈兲峁┝烁倪M(jìn)的選擇性,并且通過該近似獲得的網(wǎng)絡(luò)是最容易實(shí)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(gè)運(yùn)營區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了實(shí)際的實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)和缺點(diǎn),除了振鈴響應(yīng)是所有設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)限制適用.
切比雪夫階段錯(cuò)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(jì)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(diǎn)處,響應(yīng)改變并遵循巴特沃斯特性.相對于嚴(yán)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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)濾波器的最大帶寬.
7.中心頻率和標(biāo)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(biāo)稱頻率是中心頻率的標(biāo)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(biāo)稱中心頻率;Fo表示單個(gè)濾波器的實(shí)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(shí),相對于實(shí)際或測量的濾波器中心頻率指定頻率更方便.當(dāng)然,Fo的值將隨著溫度和時(shí)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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