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，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XI、X2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IX1和1X2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R3、R4是调整两晶体XI、X2 的Q值；C1、C2是调整XI、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 fr三800MHZ,噪声系 数NFW2.5db的3DG71D来实现分离元件的滤波电路.rRffi?单晶依滤波器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XI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采用射槻跟随器的滤彼器电路入薩砌D肿曲UM —0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 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. 晶体谐振器的计算图4釆用两瓠屯路作制棚務的滤波器电路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□有源晶体滤波器拘成的两种滤波特性 （宜）■巴特沃斯型滤波椿性〔b）契比雪衣型 逍波幡性图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，晶体谐振器的有效日值为。
□=WLm / Rs =W/ W p （ 1）其中：W2n fw p = 2n fpLm 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 宽与阻带带宽比Aw/wp (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e =fo /fp (4)其中fp为滤波器3dB带宽那么，第 m 个晶体的0 值为0 m0 m=0 /sin[( 2m-1) /n*90°] ( 5)设fam为在fo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e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50Q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 e a=42432.8fbm=2999646.5HZ e b=42432.8实际使用晶体之频率严格按此要求，而e值应大于e a，e b、因还必须 考虑电路参数和适当调节带宽的串联电阻对e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 31. 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日值直接有关，晶体谐振器日值越高则 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 响了晶体谐振器的日值，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 —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：B0W2.3DB阻带防卫度：B>30dB（在fO±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。