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1、有源窄带晶体滤波器国营前锋无线电仪器厂 向天明1. 概述 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
2、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。2. 基本原理 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
3、，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。X1、X2 是两频相近的晶体谐振器，加
4、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 IX1 和 IX2。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
5、中的 R3、R4 是调整两晶体X1、X2 的 Q 值；C1、C2 是调整 X1、X2 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 BG1、BG2 的阻抗计算与一般晶体管电路相同，这里不再详细讨论。3. 电路的选择 图 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 NF2.5db
6、 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 CO 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
7、集跟随器 BG3 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。L3、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）。4. 晶体谐振器的计算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，
8、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。=。Lm / Rs =。/ p （1）其中：。=2f。p = 2fpLm 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。图 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
9、带宽比 /p（或 f /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 。=f。/fp (4）其中 fp 为滤波器 3dB 带宽。那么，第 m 个晶体的 值为 mm=。/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
10、-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 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 50。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 a=42432.8fbm=2999646.5HZ b=42432.8实际使用晶体之频率严格按此要求，而
11、 值应大于 a，b、因还必须考虑电路参数和适当调节带宽的串联电阻对 值的影响。图 6 巴特沃斯型有源晶体滤波器特性（3dB 带宽）5.测试与调试以我们研制的 30MHZ 单晶体有源滤波器为例，其电路见图 3。1. 滤波器的测试 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。2. 滤波器的测试 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
12、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
13、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=503dB 带宽 f=810HZ通带衰减： B02.3DB阻带防卫度：B30dB（在 f015KHZ 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。
