有源窄帶晶體濾波器

1、有源窄帶晶體濾波器國(guó)營(yíng)前鋒無(wú)線電儀器廠 向天明1. 概述 在無(wú)線電測(cè)量?jī)x器、通訊設(shè)備、遙控遙測(cè)及其他無(wú)線電設(shè)備中，常常需要通帶非常窄的帶通濾波器，它對(duì)于提高這些無(wú)線電測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的性能起著極為重要的作用。這些濾波器要求其頻率從數(shù)千赫到數(shù)十千兆赫，相對(duì)帶寬小到目前為止0.1%-0.01%,有的要求寬帶為幾十赫，甚至1赫。能完成上述要求的窄帶濾波器，有機(jī)械濾波器（包括音叉濾波器、音片濾波器、棒狀或圓片狀濾波器），陶瓷濾波器和晶體濾波器。概況地說(shuō)，音片、音叉濾波器適用于20KHZ以下；圓片、棒狀濾波器適用于600KHZ以下；陶瓷濾波器、晶體濾波器適用以上所有的頻率，但晶體濾波器的Q值遠(yuǎn)較陶瓷濾波器

2、高，能實(shí)現(xiàn)更窄的帶寬。本文介紹一種新型的濾波器有源窄帶晶體濾波器，可達(dá)到上述要求，有比無(wú)源晶體濾波器更窄的帶寬。無(wú)論是有源或是無(wú)源晶體濾波器都采用晶體諧振器作諧振元件。無(wú)源晶體濾波器要求晶體諧振器（以下稱做諧振器或晶體）的等效電感Lm很?chē)?yán)，難以做到。然而有源晶體濾波器要求諧振器的Lm不嚴(yán)格，只較嚴(yán)格地要求Co，易于生產(chǎn)。2. 基本原理 眾所周知，一塊單晶體諧振器具有等效電感Lm、等效電容Cm、等效損耗電阻rm、和結(jié)構(gòu)電容Co。 如果省掉rm，可以視為理想的三元件二端網(wǎng)路，那么它有一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fO和一個(gè)并聯(lián)諧振頻率的fr。將一塊諧振器串聯(lián)在兩級(jí)放大器之間，利用它的串聯(lián)諧振特性，獲得一個(gè)通帶很

3、窄的選擇放大器、其中心fO而定，通帶寬度決定于諧振器的Q值。這種串聯(lián)晶體的選擇放大器叫做有源晶體濾波器，然而它的阻帶衰減特性差。這種選擇放大器特性差的主要原因是由于諧振器的結(jié)構(gòu)電容CO所致，因?yàn)樽鑾ьl率信號(hào)可以通過(guò)CO由第一級(jí)放大器直接藕合到第二級(jí)、頻率較高時(shí)更為重要。為了克服這一缺點(diǎn)，則希望設(shè)置另一通路，以獲得與此衰減較大的衰減特性。這就是我們研制的有源晶體濾波器，其典型線路如圖1所示。圖一中BG1是一個(gè)倒相器，調(diào)整射極的電位器R2、便可以使它的射極與集電極的電壓相位差180度幅度相等。X1、X2是兩頻相近的晶體諧振器，加在它們上面的幅度相等、相位相反的電壓，分別形成如圖1所士電流IX1和I

4、X2。實(shí)際上可以看成一個(gè)加法器。由于在晶體諧振器的串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)兩邊具有不同性質(zhì)的阻抗（低頻段為容抗，高頻段為感抗），又加有幅度相等，相位相反的電壓，故在它們串聯(lián)諧振點(diǎn)附近兩晶體諧振器的阻抗性質(zhì)相反，則流經(jīng)BG2輸入端的電流是相加，輸出信號(hào)電壓最大，這便構(gòu)成濾波器的通帶；在離開(kāi)串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)處，兩晶體諧振蕩器的阻抗性質(zhì)相同，則流經(jīng)BG2輸入端的電流相互抵消，如果說(shuō)倒相器使得兩通路的相位相差1800，幅度完全相等，那么流經(jīng)BG2輸入端的電流為零，顯然BG2便沒(méi)有信號(hào)電壓輸出，這便是濾波器的阻帶。電路中的R3、R4是調(diào)整兩晶體X1、X2的Q值；C1、C2是調(diào)整X1、X2的頻率。對(duì)于倒相器的兩輸出

5、阻抗和BG2的輸入阻抗都要盡可能地小，以減少對(duì)晶體諧振器Q值的影響。當(dāng)然，如果晶體諧振器的實(shí)際Q值遠(yuǎn)比所需的Q值大是另一回事。至于BG1、BG2的阻抗計(jì)算與一般晶體管電路相同，這里不再詳細(xì)討論。3. 電路的選擇 圖1給出了有源晶體濾波器的典型線路，在低頻段（一般在幾百KHZ以下）還可以采用運(yùn)算放大器。然而在高頻段，采用集成電路困難，因此必須采用分離元件電路。例如中心頻率為30MHZ的有源晶體濾波器，我們選用了fr800MHZ，噪聲系數(shù)NF2.5db的3DG71D來(lái)實(shí)現(xiàn)分離元件的濾波電路.有源晶體濾波器因消除了CO對(duì)阻帶特性的影響,而獲得了好的濾波特性,故也可以將圖1中X1用于X2中的CO相當(dāng)?shù)?/p>

6、電容C來(lái)代替,其電路如圖2所示.這樣一來(lái),在一節(jié)有源濾波器中,就省了一個(gè)晶體諧振器,且濾波器的頻率衰減特性減低不多,調(diào)試也較方便。如果對(duì)于衰減特性要求更好的濾波器，使用兩節(jié)單晶體濾波電路串接，其特性比一節(jié)雙晶體濾波電路的濾波器好。圖2中的C常采用可變電容器，其值在X2晶體諧振器CO值附近，在電路調(diào)試中進(jìn)行調(diào)整。圖3是采用射極跟隨器的有源晶體濾波器電路，這是一個(gè)具有低阻抗特性的濾波器。眾所周知，射集跟隨器BG3具有高的輸入阻抗，低的輸出阻抗。將電路接在濾波器的末級(jí)，不但實(shí)現(xiàn)了濾波器的低阻抗輸出，并可減小負(fù)載對(duì)濾波器特性的影響。圖4是采用兩級(jí)電路作倒相器的有源濾波器電路，這種電路的晶體諧振器通路和

7、C通路相互影響小，電路調(diào)試方便。L3、C5和R10組成一并聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在濾波器的中心頻率上，R10可以改變回路的帶寬，此回路可有效地消除由于晶體產(chǎn)生的寄生峰（即寄生通帶）。4. 晶體諧振器的計(jì)算晶體諧振器的數(shù)量和參數(shù)的計(jì)算，主要取決于有源濾波器的頻率衰減特性。圖5（a）為巴特沃斯型濾波器特性，它的特點(diǎn)是通帶和阻帶平滑。圖5（b）為契比雪夫型濾波器特性，它的特點(diǎn)阻帶平滑，通帶內(nèi)有等波紋，就同樣元件（主要指晶體濾波器）來(lái)說(shuō)矩形系數(shù)后教前者好。下面僅對(duì)巴特沃斯型的晶體諧振器進(jìn)行計(jì)算。在串有晶體的選擇放大器中，晶體諧振器的有效值為。=。Lm / Rs =。/ p （1）其中：。=2f。p = 2f

8、pLm為晶體諧振器的等效電感fp為濾波器的3dB帶寬Rs為晶體諧振器中的等效電阻RS是晶體諧振器的等效串聯(lián)電阻rM與外電路總電阻串聯(lián)的總電阻。而外電路總電阻又是第一級(jí)放大器的輸出阻抗、第二級(jí)放大器的輸入阻抗之和，如果晶體中還串有調(diào)節(jié)帶寬的電阻，則該總電阻還應(yīng)加上串聯(lián)電阻值。圖6為不同數(shù)量晶體3dB帶寬的巴特沃斯型濾波器特性，橫軸為3dB帶寬與阻帶帶寬比/p（或f /fp），縱軸是衰減量，三條曲線為不同數(shù)量晶體的衰減特性。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，我們可以根據(jù)要求的阻帶特性來(lái)確定晶體的數(shù)量n。當(dāng)晶體的數(shù)量確定后，則可求出中心頻率兩側(cè)的晶體數(shù)量。mmax=(n+1)/2 ( n為奇數(shù) ) （2）mmax=n

9、/2 ( n為偶數(shù) ) （3）又濾波器的有效值為。=f。/fp (4）其中fp為濾波器3dB帶寬。那么，第m個(gè)晶體的值為mm=。/sin（2m-1）/n*90° （5）設(shè)fam為在f。以上頻率第m個(gè)晶體的頻率，fbm為在fb以下頻率的第m個(gè) 晶體的頻率，則有如下關(guān)系。fam-fbm=fp cos（2m-1）/n*90° （6）fam=f。+ fam-fbm /2 (7）fbm=f。- fam-fbm /2 （8）根據(jù)上式有源晶體濾波器中各晶體諧振器的值、頻率即可求出。例如，鎖相測(cè)試接收機(jī)需要一個(gè)頻率未30MHZ的中頻窄帶濾波器，3dB帶寬為1KHZ，60dB衰減帶寬40MH

10、Z輸入輸出阻抗為50。那么我們可以采用圖1電路，查圖6得知晶體諧振器選兩個(gè)即、則60dB衰減帶寬為32KHZ，可見(jiàn)滿足給定要求。由（1）(7)式得晶體諧振器參數(shù)：fam=3000353.5HZ a=42432.8fbm=2999646.5HZ b=42432.8實(shí)際使用晶體之頻率嚴(yán)格按此要求，而值應(yīng)大于a，b、因還必須考慮電路參數(shù)和適當(dāng)調(diào)節(jié)帶寬的串聯(lián)電阻對(duì)值的影響。圖6 巴特沃斯型有源晶體濾波器特性（3dB帶寬）5.測(cè)試與調(diào)試以我們研制的30MHZ單晶體有源濾波器為例，其電路見(jiàn)圖3。1. 濾波器的測(cè)試 本濾波器測(cè)試電路與一般相同。由于濾波器的通帶很窄，因此要求信號(hào)源的頻率分辨率高，最好為1HZ

11、。這里用國(guó)產(chǎn)PZ-1型頻率合成器，頻率范圍50KHZ-50MHZ，分辨率1HZ。也可以選用頻率分辨率高頻譜儀。2. 濾波器的測(cè)試 無(wú)論是上述哪一種有源晶體濾波器電路，其調(diào)試方法都大致相同。首先調(diào)好各級(jí)晶體管的工作點(diǎn)，再調(diào)倒相器，使其兩通路的幅度相等（稱之為幅度平衡），然后調(diào)整代替晶體諧振器的電容C，使濾波器滿足予定要求，衰減特性對(duì)稱，而且陡峭。1）“幅度平衡”有兩種調(diào)整方法(a）失諧平衡法將信號(hào)源頻率調(diào)在離晶體濾波器通帶頻率較遠(yuǎn)的頻率點(diǎn)上，如果兩通道阻抗相等（即倒相器的負(fù)荷相等），一般可調(diào)R4使BG1倒相器的射極與集電極輸出信號(hào)相等。如30MHZ濾波器選用30MHZ+800KHZ點(diǎn)進(jìn)行調(diào)平衡。

12、(b）“中點(diǎn)”調(diào)平衡法將信號(hào)源的頻率調(diào)在濾波器中心頻率處，調(diào)整R4使濾波器輸出最大，這時(shí)濾波器的通帶衰減很小，甚至有增益，而且?guī)捄苷?，但可能出現(xiàn)中心頻率的上下阻帶不對(duì)稱，但又可能出現(xiàn)通帶衰減較大，故應(yīng)反復(fù)調(diào)整，折衷選擇為宜。2) 抵消電容C 的調(diào)整電容C是與另一通道晶體諧振器的C0值，然而裝在電路中有分布電容及BG1、BG2的輸出、輸入阻抗影響，故在實(shí)際制作時(shí)應(yīng)調(diào)整。此電容對(duì)濾波器阻帶對(duì)稱性、陡峭度影響很大，需仔細(xì)調(diào)整，一般調(diào)到阻帶特性對(duì)稱為宜。3) 通帶寬度的調(diào)整濾波器通帶寬度與晶體諧振器的值直接有關(guān)，晶體諧振器值越高則帶寬越窄，反之帶寬越寬。在調(diào)整過(guò)程中改變了BG1的射極電阻，這直接影響了晶體諧振器的值，改變了濾波器的帶寬。為了有效地調(diào)整濾波器的帶寬，可在晶體上串聯(lián)一個(gè)電位器，如圖1所示的R3、R4。例如圖3中串一個(gè)電阻50 時(shí)，帶寬為670HZ；串一個(gè)100電阻時(shí)，帶寬為950HZ。但串聯(lián)電阻太大時(shí)，濾波器的選擇性很差，因此最好不串聯(lián)電阻。由于窄帶濾波器帶寬精細(xì)，也可在晶體上串一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙葸M(jìn)行調(diào)整。30MHZ一節(jié)單晶體有源濾波器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7，主要特性如下。中心頻率：