2.3 集中选频放大器

随着电子技术的发展，在小信号选频放大器中越来越多地采用集中选频放大器。集中选频放大器由两部分部件组成，一部分是宽频带放大器，另一部分是集中选频滤波器。宽频带放大器一般由线性集成电路构成，当工作频率较高时，也可用其他分立元件宽频带放大器构成。在集中选频放大器里，先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频，然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预选频代替了逐级选频，减小了调试的难度，后者可充分发挥线性集成电路的优势。集中滤波器的任务是选频，要求在满足通频带指标的同时，矩形系数要好。其主要类型有集中LC滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。集中LC滤波器通常由一节或若干节LC网络组成，根据网络理论，按照带宽、衰减特性等要求进行设计，目前已得到了广泛应用。石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等固体滤波器已被广泛地应用在通信电子电路中。

集中选频滤波器包括陶瓷滤波器、声表面波滤波器等。

1．陶瓷滤波器

在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅[Pb（ZrTi）O₃]压电陶瓷材料（简称PZT）制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面涂银作为电极，经过直流高压极化后就具有压电效应。所谓压电效应，就是当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产生电压；而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。其等效电路和电路符号如图2-24a、b所示。图中C₀为压电陶瓷片的固定电容值，L_q、C_q、r_q分别相当于机械振动时晶体的等效质量、等效弹性系数和等效阻尼。压电陶瓷片的厚度、半径等尺寸不同时其等效电路参数也就不同。从图2-24所示的电路可见，陶瓷片具有两个谐振频率，一个是串联谐振频率f_s，另一个是并联谐振频率f_p。在串联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最小（≤20Ω）；在并联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最大，其阻抗频率特性如图2-25所示。

陶瓷滤波器具有无须调谐、体积小、加工方便等优点，但工作频率不太高（几十兆赫兹以下），相对频宽较窄。使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配，其输出阻抗也须与负载阻抗匹配，否则其频率特性将会变坏。另外，其频率特性较难控制，生产一致性较差。

石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q值高很多，因此频率特性好，但价格较高。

2．声表面波滤波器

目前，应用最普遍的集中滤波器是声表面波滤波器。声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave Filter，SAWF）是利用某些晶体的压电效应和表面波传播的物理特性制成的一种新型电—声换能器件。压电效应是指：当晶体受到应力作用时，在它的某些特定表面上将出现电荷，而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系，这是正压电效应；当晶体受到电场作用时，在它的某些特定方向上将出现应力变化，而且电场强度与应力变化之间存在着线性关系，这是逆压电效应。自20世纪60年代中期问世以来，声表面波滤波器的发展非常迅速。它不仅不需要调整，而且具有良好的幅频特性和相频特性，其矩形系数接近1。

声表面波滤波器结构示意图如图2-26所示。它以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基片，在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。

由于逆压电效应的作用，基体材料将产生弹性变形，从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减，而表面波则向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料所吸收，向右传送的声表面波由接收换能器接收，由于正压电效应，在叉指对间产生电信号，并由此端输出。当输入信号的频率f等于换能器的频率f₀时，各节所激发的表面波同相叠加，振幅最大。其频率特性曲线如图2-27所示。

声表面波滤波器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度a、指条间隔b、指条有效长度B和周期长度M等。只要合理设计叉指电极，就能获得预期的频率特性。

目前声表面波滤波器的中心频率为10MHz～1GHz，相对带宽为5%～50%，插入损耗最低仅几个分贝，矩形系数可达1.2。

为了保证对信号的选择性要求，声表面波滤波器在接入实际电路时必须实现良好的匹配。

图2-28所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端与一宽带放大器相接。来自混频器的中频信号经预中放放大后输入声表面波滤波器，经滤波后从SAWF的输出端平衡输出，通过匹配电路加至集成宽带中频放大器的输入端，实现滤波器输入和输出端各自对外有良好的阻抗匹配。