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    有源窄帶晶體濾波器
    來源:武華科技   發布時間:2012-08-20  瀏覽數:3774    【收藏本頁】

    國營前鋒無線電儀器廠 向天明
      • 概述
      • 基本原理
      • 電路的選擇
      • 晶體諧振器的計算

      在無線電測量儀器、通訊設備、遙控遙測及其他無線電設備中,常常需要通帶非常窄的帶通濾波器,它對于提高這些無線電測量儀器和設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千赫到數十千兆赫,相對帶寬小到目前為止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,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值遠較陶瓷濾波器高,能實現更窄的帶寬。

      本文介紹一種新型的濾波器--有源窄帶晶體濾波器,可達到上述要求,有比無源晶體濾波器更窄的帶寬。無論是有源或是無源晶體濾波器都采用晶體諧振器作諧振元件。無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很嚴,難以做到。然而有源晶體濾波器要求諧振器的Lm不嚴格,只較嚴格地要求Co,易于生產。

      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、和結構電容Co。 如果省掉rm,可以視為理想的三元件二端網路,那么它有一個串聯諧振頻率fO和一個并聯諧振頻率的fr。將一塊諧振器串聯在兩級放大器之間,利用它的串聯諧振特性,獲得一個通帶很窄的選擇放大器、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構電容CO所致,因為阻帶頻率信號可以通過CO由第一級放大器直接藕合到第二級、頻率較高時更為重要。為了克服這一缺點,則希望設置另一通路,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是一個倒相器,調整射極的電位器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IX1IX2。實際上可以看成一個加法器。由于在晶體諧振器的串聯諧振頻率點兩邊具有不同性質的阻抗(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,故在它們串聯諧振點附近兩晶體諧振器的阻抗性質相反,則流經BG2輸入端的電流是相加,輸出信號電壓最大,這便構成濾波器的通帶;在離開串聯諧振頻率較遠處,兩晶體諧振蕩器的阻抗性質相同,則流經BG2輸入端的電流相互抵消,如果說倒相器使得兩通路的相位相差1800,幅度完全相等,那么流經BG2輸入端的電流為零,顯然BG2便沒有信號電壓輸出,這便是濾波器的阻帶。電路中的R3、R4是調整兩晶體X1、X2Q值;C1、C2是調整X1、X2的頻率。對于倒相器的兩輸出阻抗和BG2的輸入阻抗都要盡可能地小,以減少對晶體諧振器Q值的影響。當然,如果晶體諧振器的實際Q值遠比所需的Q值大是另一回事。至于BG1、BG2的阻抗計算與一般晶體管電路相同,這里不再詳細討論。

      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NF≤2.5db的3DG71D來實現分離元件的濾波電路.

      有源晶體濾波器因消除了C

      O對阻帶特性的影響,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相當的電容C來代替,其電路如圖2所示.這樣一來,在一節有源濾波器中,就省了一個晶體諧振器,且濾波器的頻率衰減特性減低不多,調試也較方便。如果對于衰減特性要求更好的濾波器,使用兩節單晶體濾波電路串接,其特性比一節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,在電路調試中進行調整。

      圖3是采用射極跟隨器的有源晶體濾波器電路,這是一個具有低阻抗特性的濾波器。眾所周知,射集跟隨器BG

      3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,不但實現了濾波器的低阻抗輸出,并可減小負載對濾波器特性的影響。

      圖4是采用兩級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C通路相互影響小,電路調試方便。L

      晶體諧振器的數量和參數的計算,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,它的特點阻帶平滑,通帶內有等波紋,就同樣元件(主要指晶體濾波器)來說矩形系數后教前者好。

      下面僅對巴特沃斯型的晶體諧振器進行計算。

      在串有晶體的選擇放大器中,晶體諧振器的有效值為。

       

      5.測試與調試

      =ω。Lm / Rs =ω。/ ωp (1)

      其中:

      ω。=2πf。

      ωp = 2πfp

      Lm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電阻rM與外電路總電阻串聯的總電阻。而外電路總電阻又是第一級放大器的輸出阻抗、第二級放大器的輸入阻抗之和,如果晶體中還串有調節帶寬的電阻,則該總電阻還應加上串聯電阻值。

      6為不同數量晶體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Δω/ωp(或Δf /fp),縱軸是衰減量,三條曲線為不同數量晶體的衰減特性。在設計濾波器時,我們可以根據要求的阻帶特性來確定晶體的數量n。

      當晶體的數量確定后,則可求出中心頻率兩側的晶體數量。

      mmax=(n+1)/2 ( n為奇數 ) (2)

      mmax=n/2 ( n為偶數 ) (3)

      又濾波器的有效值為θ。

      θ。=f。/fp (4)

      其中fp為濾波器3dB帶寬。

      那么,第m個晶體的θ值為θm

      θm=θ。/sin[(2m-1)/n*90°] (5)

      設fam為在f。以上頻率第m個晶體的頻率,fbm為在fb以下頻率的第m個 晶體的頻率,則有如下關系。

      fam-fbm=fp cos[(2m-1)/n*90°] (6)

      fam=f。+ fam-fbm /2 (7)

      fbm=f。- fam-fbm /2 (8)

      根據上式有源晶體濾波器中各晶體諧振器的θ值、頻率即可求出。

      例如,鎖相測試接收機需要一個頻率未30MHZ的中頻窄帶濾波器,3dB帶寬為1KHZ,60dB衰減帶寬40MHZ輸入輸出阻抗為50Ω。

      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即、則60dB衰減帶寬為32KHZ,可見滿足給定要求。

      由(1)~(7)式得晶體諧振器參數:

      fam=3000353.5HZ θa=42432.8

      fbm=2999646.5HZ θb=42432.8

      實際使用晶體之頻率嚴格按此要求,而θ值應大于θa,θb、因還必須考慮電路參數和適當調節帶寬的串聯電阻對θ值的影響。

      圖6 巴特沃斯型有源晶體濾波器特性(3dB帶寬)

      以我們研制的

      30MHZ單晶體有源濾波器為例,其電路見圖3。
      1. 濾波器的測試
      2. 濾波器的測試

      本濾波器測試電路與一般相同。由于濾波器的通帶很窄,因此要求信號源的頻率分辨率高,最好為1HZ。這里用國產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。

       

      無論是上述哪一種有源晶體濾波器電路,其調試方法都大致相同。首先調好各級晶體管的工作點,再調倒相器,使其兩通路的幅度相等(稱之為幅度平衡),然后調整代替晶體諧振器的電容C,使濾波器滿足予定要求,衰減特性對稱,而且陡峭。

      1)“幅度平衡”有兩種調整方法

      (a)失諧平衡法

      將信號源頻率調在離晶體濾波器通帶頻率較遠的頻率點上,如果兩通道阻抗相等(即倒相器的負荷相等),一般可調R4使BG1倒相器的射極與集電極輸出信號相等。如30MHZ濾波器選用30MHZ+800KHZ點進行調平衡。

      (b)“中點”調平衡法

      將信號源的頻率調在濾波器中心頻率處,調整R4使濾波器輸出最大,這時濾波器的通帶衰減很小,甚至有增益,而且帶寬很窄,但可能出現中心頻率的上下阻帶不對稱,但又可能出現通帶衰減較大,故應反復調整,折衷選擇為宜。

      2) 抵消電容C 的調整

      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,故在實際制作時應調整。此電容對濾波器阻帶對稱性、陡峭度影響很大,需仔細調整,一般調到阻帶特性對稱為宜。

      3) 通帶寬度的調整

      濾波器通帶寬度與晶體諧振器的值直接有關,晶體諧振器值越高則帶寬越窄,反之帶寬越寬。在調整過程中改變了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。為了有效地調整濾波器的帶寬,可在晶體上串聯一個電位器,如圖1所示的R3、R4。例如圖3中串一個電阻50 時,帶寬為670HZ;串一個100電阻時,帶寬為950HZ。但串聯電阻太大時,濾波器的選擇性很差,因此最好不串聯電阻。由于窄帶濾波器帶寬精細,也可在晶體上串一個適當的電容進行調整。

      30MHZ一節單晶體有源濾波器實測數據如圖7,主要特性如下。

      中心頻率: f0=30MHZ

      阻抗: R=50

      3dB帶寬 f=810HZ

      通帶衰減: B0≤2.3DB

      阻帶防衛度:B>30dB(在f0±15KHZ處衰減量減去通帶衰減量)

      圖7 一節30MHZ單晶體有源濾波器實測特性

      6.結語

      有源晶體濾波器不但可實現非常窄的帶寬,而且調試、制作極為方便。
      基于有源濾波器原理,也可以采用陶瓷振子、附有換能器的機械子作成有源濾波器,統稱為“有諧振子濾波器”,有機會在討論。

      注:本文發表在《電子測量技術》1981第三期


       

      3、C5和R10組成一并聯諧振回路,調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生的寄生峰(即寄生通帶)。

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