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电子发烧友论坛|
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。 
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5个回答
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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。X1、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。 |
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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≥800MHZ，噪声系数NF≤2.5db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）。 |
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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≥800MHZ，噪声系数NF≤2.5db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）。 |
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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，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 其中：ω。=2πf。 ωp = 2πfp Lm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Δω/ωp（或Δf /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θ。 θ。=f。/fp (4） 其中fp为滤波器3dB带宽。 那么，第m个晶体的θ值为θm θm=θ。/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-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θ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50Ω。 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 θa=42432.8 fbm=2999646.5HZ θb=42432.8 实际使用晶体之频率严格按此要求，而θ值应大于θa，θb、因还必须考虑电路参数和适当调节带宽的串联电阻对θ值的影响。 图6 巴特沃斯型有源晶体滤波器特性（3dB带宽） 1.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。 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 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=50 3dB带宽 f=810HZ 通带衰减： B0≤2.3DB 阻带防卫度：B>30dB（在f0±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 |
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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。 作者：向天明 |
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加入小组17626.6标准中关于CDN的疑问？以及实际钳注入测试中是否需要对AE和EUT同时接CDN？
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