表面波滤波器与“无调整”中放电路

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国产黑白电视机都是采用具有许多调谐回路的中放电路,以便整机组装完毕,反复调整,达到所要求的幅频特性。这不仅给生产带来不便,而且也是产生故障的一个潜在因素。

随着集成电路在电视机中的广泛应用,中放电路可以做成直接耦合式宽带放大器,不加调谐回路即可满足增益要求,如果再能配用一种不需要调整的新型元件,代替原有的调谐回路,就可以实现中放电路的“无调整”化。

“声表面波滤波器”正是这样一种新型元件。有了它,不仅对提高生产率,提高电视机的稳定性和可靠性,而且对提高电视机性能的一致性等都有一定好处。

工作原理

1.声表面波

所谓“声表面波”,是弹性固体(如石英、铌酸锂等压电晶体)表面层内的质点在外力作用下产生周期性的振动,使固体发生弹性形变并沿表面层传播的一种机械波。英文为Surface Acoustic Wave,缩写为SAW。这种波的传播速度约为10\(^{5}\)厘米/秒的数量级,实际是一种超声波。

目前已发现的晶体中的表面波有多种,其中应用最广的是瑞利波。它是由两个速度相同的声波(声横波和声纵波)迭加形成的,其质点运动轨迹呈椭圆形。

瑞利波的基本性质是:波的传播速度与频率无关;能量绝大部分集中在晶体的表面层内,并随深度的增加迅速被衰减;在压电晶体中传播时,伴随有以同样速度传播的电场,这种电场也集中在表面层内;在各向异性材料中传播时,其速度随晶体的切割方向和温度而变化。

声表面波滤波器(简称“表面波滤波器”)就是利用这种波的基本性质进行工作的。

2.叉指换能器

图1
图1 🔍原图 (604×385)

在压电晶体(如石英、铌酸锂)基片上,蒸发形成如图1所示的金属叉指电极对a、b(或c、d)以后,当在a、b之间加以交流电信号时,在交流电信号的电场作用下,通过压电效应,便在基片表面层激发产生周期性的弹性形变,并沿基片表面层向两个方向传播,于是就形成了声表面波。其中一个方向上的声波,被涂敷在基片上一端的吸声材料吸收。另一个方向上的声波沿着基片表面层传播到叉指电极c、d,再通过压电效应,把这种周期性的弹性形变又转换为电信号,加到外接的负载上。从上述可以看出:一个声表面波器件至少要有两对叉指电极,由输入端的电极对把电信号转换成声表面波,再由输出端的电极对将声表面波又转换为电信号,这两次能量转换的过程,也就是按照要求对信号的处理过程。我们把每个叉指电极对(a、b或c、d)叫做一个叉指换能器。

当声表面波的频率与外加电信号的频率相同时,激发的声波最强,信号的传输效率最高。而声表面波的波长是由叉指电极的几何结构决定的,因此我们通过设计换能器的叉指宽度、叉指间距和叉指的重迭长度,来实现具有特定频率响应的滤波器,达到传输特定频段(或频率)电信号的目的。

3.表面波滤波器

图2
图2 🔍原图 (816×845)

表面波滤波器是由压电基片和蒸发在基片上的金属叉指换能器A、B所组成,见图2(a)。其中A为输入换能器、B为输出换能器,分别通过金属引线与外部电路相连。

图3
图3 🔍原图 (533×312)

为了便于说明它的工作原理,我们先介绍一个小实验。如果我们给一个四端网路输入一个矩形脉冲信号,见图3所示,在它的输出端就得到一定的反应。如果反应如图3(a)曲线波形,我们认为输出的信号波形产生了失真。这是由于网路A的通频带窄,造成了信号高频成分不足所引起的。如果输出的信号是图3(b)的波形,我们说这是高频过冲现象,是由于信号通过网路B后,信号中的高频成分过重造成的。

在这个实验中,我们把网路对于以时间为变量的脉冲信号的反应和它对于以频率为变量的正、余弦信号的反应联系起来了。这是因为任何一个脉冲波,都可以用一系列频率、幅度各不相同的正、余弦波叠加而成。例如我们以脉冲的持续时间为半周期的基波和它的三次、五次、七次谐波叠加之后,就得到了近似于矩形的脉冲波,如图4。反之,任何脉冲波,也可分解为基波和许多不同频率、不同幅度的谐波。在数学上,把这种由脉冲波分解为基波和谐波的运算过程,叫做富里哀变换,反之叫做富里哀反变换。所以富里哀变换,就是把以时间为自变量的脉冲信号和以频率为自变量的正、余弦信号联系起来的一种运算工具。我们把任一网路或器件,对于以时间为变量的脉冲电信号的反应称为脉冲响应,以h(t)表示,把它对于以频率为变量的正、余弦电信号的反应,称为频率响应或频率特性,以H(ω)表示。对同一个器件(或网路)来说,它的这种反应是由它本身所固有的同一物理性质决定的。所以这两种反应之间必然存在着一定的联系,这就是脉冲响应h(t)和频率响应H(ω)之间的富里哀正、反变换关系。图2(b)就是与叉指换能器A和B相对应的脉冲响应曲线h\(_{A}\)(t)和hB(t)。对它们分别进行富里哀变换就能得到图2(c)所对应的频率响应H\(_{A}\)(ω)和HB(ω),再把H\(_{A}\)(ω)和HB(ω)相乘就得到图2(d)所示的H(ω)。H(ω)就是我们所需要的声表面波滤波器的频率响应。也就是说当我们给声表面波滤波器注入电信号后,滤波器就以频率响应H(ω)对信号进行选择,然后送到负载R\(_{L}\)上。

图4
图4 🔍原图 (833×666)

从图2中还可以看出:脉冲响应h\(_{A}\)(t)和hB(t)的包络正好是叉指指端的轨迹,这一点正是声表面波滤波器工作的依据和设计的基础。下面我们来说明这一点。

在换能器的每个叉指电极上,并排放着一连串的叉指,每个换能器的两个叉指电极间就形成了一系列的叉指对,每个叉指对,就是换能器的一个基本换能单元。对输入换能器来说,当交流电信号加到叉指电极后,电极上所有的各个叉指对,都同时独立地产生声表面波,同时也独立地向输出端传播。由于从不同叉指对传出的波,各自经过的路程远近不一,也就存在着不同时间的延迟,延迟时间的长短,由相应叉指对所在位置来确定。声波的强度,正比于相应叉指对的两个叉指重叠的长度。

如果我们用一个单位脉冲来激发叉指换能器,在离被激发换能器一定距离的某处接收到的声波波形(相位和幅度),就是该叉指换能器空间结构的再现。就象图2(b)波形表现了图2(a)中两个换能器的有效脉冲响应那样。

声表面波滤波器在电视机中放电路中的应用问题,就是电视机中放频率响应曲线所对应的脉冲响应曲线,能不能用叉指换能器的几何结构图形来实现的问题。

由于电视机中放曲线的整个带宽只有8MH\(_{Z}\),而频率范围是30MHZ到38MH\(_{Z}\)。8MHZ的频响所对应的脉冲响应的宽度是有限的,所以在结构尺寸和工艺上是易于实现的。

4.声表面波滤波器的特点及性能

(1)体积小重量轻。由于声表面波的传播速度比电磁波低10\(^{5}\)数量级,而叉指换能器的结构是按声表面波波长λ\(_{0}\)配置的,由于外加电场的频率很高,所以叉指的指条宽度和间距都是很小很小的。加上基片又很薄,所以整个器件的尺寸和重量都很小。

(2)设计灵活性大,能实现较为复杂的功能,而且一致性、稳定性好,频带宽、动态范围大。

(3)应用范围广,从高频、甚高频、超高频一直到低微波频段都可使用。

(4)可靠性高,抗电磁辐射干扰性能强。这是因为声表面波纯属质点的振动,不涉及电子迁移过程。

图5
图5 🔍原图 (893×831)
图6
图6 🔍原图 (330×270)

表面波滤波器的性能见表,其频率特性曲线见图5。

应用实例

图7
图7 🔍原图 (1145×401)

我们用表面波滤波器在B314型电视机电路(原电路见本刊1979年第7期封三)上作了实验,电路见图6。它与原电路所不同的是用表面波滤波器代替了原中放电路输入端的LC回路组成的带通滤波器。为了弥补表面波滤波器SF1引入的插入损耗,增加了一级由晶体管2BG1组成的宽带放大器。经测试所得中放特性曲线如图7(a),它与原电路的中放特性曲线图7(b)相比较,可以看出:由于加了一级宽带放大器,补偿了表面波滤波器引入的插入损耗,所以两者的增益无多大差别。但是,用表面波滤波器的中放电路的选择性,有了明显的提高,在29MH\(_{Z}\)和38.5MHZ处均达到-30dB以下(部标暂定为-20dB)。这是用LC带通滤波器很难达到的。

图8
图8 🔍原图 (1199×824)

目前在国外电视机中,已经广泛采用了表面波滤波器。我厂加工的12—T280U1型电视机的中放电路,就是一个实例,其电路如图8。(路宝富)