晶体滤波器

晶体滤波器crystal filter，用晶体谐振器组成的滤波器。与LC谐振回路构成的滤波器相比，晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多，已广泛用于通信、导航、测量等电子设备。

简介

1921年W.G.凯地将晶体谐振器用于各种调谐电路，形成了晶体滤波器的雏形。1927年L.艾斯本希德把晶体谐振器用于真正的滤波电路。1931年W.P.梅森又把它用于格型滤波器。60年代中期，集成式晶体滤波器研制成功，晶体滤波器在小型化方面有了很大发展。石英晶体谐振器是最常用的晶体谐振器之一，它在滤波器中主要用作窄带通滤波器。钽酸锂或铌酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大，适用于制做高频宽带通滤波器。其他压电材料因温度稳定性较差，很少采用。

革新

石英晶体谐振器是最常用的晶体谐振器之一，它在滤波器中主要用作窄带通滤波器。钽酸锂或铌酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大，适于制做高频宽带通滤波器。其他压电材料因温度稳定性较差，很少采用。（见压电器件）。　当作用于晶体谐振器的电信号频率等于晶体的固有频率时，电能通过晶体的逆压电效应在晶体中引起机械谐振产生机械能;在输出端,正压电效应又将这种机械能转换为电信号。晶体谐振器及其等效电路和阻抗特性如图1。其中，L1、C1和R1分别代表晶体谐振器的动态电感、动态电容和动态电阻；C0为晶体支架和电极间的静态电容。R1通常很小，可忽略不计。这样，图1a的等效电路可视为纯电抗二端网络。谐振器的串联、并联谐振频率f1、f2以及比值f2/f1分别为

比值 f2/f1随比值C1/C0而异。这个特性可以用来调节晶体滤波器的通频带。例如，谐振器外接一个串联电容器,等效于C1减小、f1升高；而外接一个并联电容器,则等效于C0增大、f2降低。两者均可缩小f1与f2之间的间隔,即缩窄通频带。如果串接或并接电感器,则将增大频率间隔，展宽通频带。

因晶片不能做得很薄，石英晶体谐振器的基波频率只能达到30～35兆赫。工作频率较高的谐振器大多工作于泛音（高于基频近奇次倍的振动），但泛音次数越高，串、并联谐振频率的间隔越小。

70年代发展起来的离子刻蚀技术能使晶体谐振器的基波频率接近 500兆赫。但由于外接元件，特别是线圈问题，其泛音频率也只能做到 600兆赫，相对带宽约为0.01%～1%。

分类

分立式晶体滤波器

由分立式晶体谐振器和分立式电子元件构成的滤波器。图2a的差接桥型晶体滤波器是其一种。在滤波性能上它和格型滤波器等效，但所用的晶体谐振器数目可减少一半。其阻抗特性及衰减特性如图2b 和c。在f1至f3之间,z1和z2的符号相反,又由于变压器次级两端电压的极性相反,两臂中的电流同号相加,所以f1至f3间为滤波器的通频带。同理,当ff3时,z1和z2同号,两臂电流异号相减;所以f1～f3两侧以外的区域为阻带。z1=z2时,输出为零。分立式晶体滤波器可实现的中心频率为10千赫到350兆赫,相对带宽为0.01%～10%。

集成式晶体滤波器

采用集成电路工艺制作的晶体滤波器，有单片的、串联单片的和多片的三种类型。

单片晶体滤波器　由镀在AT切（见石英晶体）石英片上若干对电极形成的耦合谐振器组成。图3为其中最简单的四电极单片晶体滤波器电路结构及其等效电路。输入谐振器随所加信号电压而产生厚度切变振动，晶片因受电极质量负荷的影响，电极区的谐振频率比非电极区的低，使弹性波在两区边界发生反射,从而使绝大部分能量陷落在电极区内,少量泄漏的能量则耦合到与之相邻的谐振器。这样依次相传到输出谐振器，再变为电信号。适当地设计电极尺寸、谐振器间距和频率镀回率，就可以控制弹性波在晶片中的传播，从而实现滤波功能。

串联单片晶体滤波器　由若干用电容耦合的单片晶体滤波器组成（图4）。其优点是利于调整工作频率和抑制寄生频率。

多片晶体滤波器　由串联的耦合谐振器、并联的单谐振器和电容器组成（图5）。其特点是能在靠近通频带的频率上形成若干衰减峰，有利于抑制干扰和改善滤波性能。

集成式晶体滤波器体积小、可靠性高而且造价低。但其中心频率只有4.5～350兆赫，相对带宽为0.01%～0.3%,所以在要求中心频率低、通频带宽的场合尚不能取代分立式晶体滤波器。

单片晶体滤波器

采用集成工艺在压电基片上镀上若干对电极，如图6（a）所示。每对电极构成一个谐振元件，基片两端的电极还兼有机电换能功能，极间部分起耦合元件的作用，其等效电路如图6（b），这是一个带通滤波器。

单片晶体滤波器采用集成工艺，有体积小、稳定性高、成本低等优点；通常做成带通，主要采用石英晶体作基片，工作频段在5～200MHz，相对带宽约为0.01%～0.3%。由于其工作原理和机械滤波器相同，也称作单片机械滤波器，这种滤波器也可用多块单片组成，以降低工艺要求。

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