濾波器的發(fā)展歷程

1917年美國(guó)和德國(guó)迷信家辨別創(chuàng)造了LC濾波器，次年招致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用零碎的呈現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無(wú)源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和資料工業(yè)的開展，濾波器開展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功用、波動(dòng)牢靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功用、高精度、波動(dòng)牢靠成爲(wèi)70年代當(dāng)前的主攻方向。

一、濾波器開展引言

但凡有才能停止信號(hào)處置的安裝都可以稱爲(wèi)濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制零碎中，濾波器使用極爲(wèi)普遍；在一切的電子部件中，運(yùn)用最多，技術(shù)最爲(wèi)復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣間接決議商品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研討和消費(fèi)歷來(lái)爲(wèi)各國(guó)所注重。

招致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速開展，到70年代前期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來(lái)并失掉使用。80年代，努力于各類新型濾波器的研討，努力進(jìn)步功能并逐步擴(kuò)展使用范圍。90年代至如今次要努力于把各類濾波器使用于各類商品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器自身的研討仍在不時(shí)停止。

我國(guó)普遍運(yùn)用濾波器是50年代前期的事，事先次要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的開展，我國(guó)濾波器在研制、消費(fèi)和使用等方面已歸入國(guó)際開展步伐，但由于短少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和資料工業(yè)跟不下去，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制使用與國(guó)際開展有一段間隔。

二、濾波器的分類

濾波器有各種不同的分類，普通有如下幾種。

（1）按處置信號(hào)類型分類

按處置信號(hào)類型分類，可分爲(wèi)模仿濾波器和團(tuán)圓濾波器兩大類。其中模仿濾波器又可分爲(wèi)有源、無(wú)源、異類三個(gè)分類；團(tuán)圓濾波器又可分爲(wèi)數(shù)字、取樣模仿、混合三個(gè)分類。當(dāng)然，每個(gè)分類又可持續(xù)分下去，總之，它們的分類可以構(gòu)成一個(gè)樹形構(gòu)造，     實(shí)踐上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模仿濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因而，我們不用苛求這種“準(zhǔn)確”分類，只是讓人們理解濾波器的大體類型，有個(gè)總體概念就行了。

（2）按選擇物理量分類

按選擇物理量分類，濾波器可分爲(wèi)頻率選擇、幅度選擇、工夫選擇（例如PCM制中的話路信號(hào)）和信息選擇（例如婚配濾波器）等四類濾波器。

（3）按頻率通帶范圍分類

按頻率通帶范圍分類，濾波器可分爲(wèi)低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，由于它有周期性的通帶和阻帶。

濾波器品種單一，有些是眾所周知的，有些能夠不爲(wèi)大家所熟習(xí)，上面著重引見近年來(lái)開展很快的幾種濾波器。

三、有源濾波器

有源濾波器由下列一些有源元件組成：運(yùn)算縮小器、負(fù)電阻、負(fù)電容、負(fù)電感、頻率變阻器（FDNR）、狹義阻抗變換器（GIC）、負(fù)阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負(fù)阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極子和零子。

1965年單片集成運(yùn)算縮小器問世后，爲(wèi)有源濾波器開拓了寬廣的前景。70年代初期，有源濾波器開展有目共睹，1978年單片RC有源濾波器問世，爲(wèi)濾波器集成邁進(jìn)了可喜的一步。由于運(yùn)放的增益和相移均爲(wèi)頻率的函數(shù)，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，普通任務(wù)頻率爲(wèi)20kHz左右，經(jīng)過補(bǔ)償后，任務(wù)頻率也限制在100kHz以內(nèi)。1974年發(fā)生了更高頻的RC有源濾波器，使任務(wù)頻率可達(dá)GB/4（GB爲(wèi)運(yùn)放增益與帶寬之積）。由于R的存在，給集成工藝形成困難，于是又呈現(xiàn)了有源C濾波器：就是濾波器由C和運(yùn)放組成。這樣容易集成，更重要的是進(jìn)步了濾波器的精度，由于有源C濾波器的功能只取決于電容之比，與電容相對(duì)值有關(guān)。但它有一個(gè)次要成績(jī)：由于各支路元件均爲(wèi)電容，所以運(yùn)放沒有直流反應(yīng)通道，使波動(dòng)性成爲(wèi)難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用延續(xù)的開關(guān)電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構(gòu)成了SRC濾波器，它仍屬于模仿濾波器。但由于采用預(yù)置電路和復(fù)雜的相位時(shí)鐘，使這種濾波器開展出路不大。

總之，由RC有源濾波器爲(wèi)原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q值可達(dá)1000，克制了RLC無(wú)源濾波器體積大，Q值小的缺陷。但它仍有許多課題有待進(jìn)一步研討：理想運(yùn)放與實(shí)踐特性的偏向的研討；由于有源濾波器混合集成工藝的不時(shí)改良，單片集成有待進(jìn)一步研討；使用線性變換辦法探究最少有源元件的濾波器需求持續(xù)探究；元件的相對(duì)值容差的存在，影響濾波器精度和功能等成績(jī)?nèi)晕刺幚?；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%～30%），線性度差等缺陷，使大規(guī)模集成依然有困難。雖然有這麼多成績(jī)，RC有源濾波器的實(shí)際和使用仍在繼續(xù)開展中。

四、開關(guān)電容濾波器（SCF）

20世紀(jì)80年代技術(shù)改造一個(gè)嚴(yán)重課題是完成各種電子零碎片面大規(guī)模集成（LSI）。運(yùn)用最多的濾波器成爲(wèi)“攔路虎”，RC有源濾波器不能完成LSI，無(wú)源濾波器和機(jī)器濾波器更不必說(shuō)了，于是，人們只能另辟新徑。50年代曾有人提出SCF的概念，由于事先集成工藝不過關(guān)，并沒有惹起人們的注重。1972年，美國(guó)一個(gè)叫Fried的迷信家宣布了用開關(guān)和電容模仿電阻R，說(shuō)SCF的功能只取決于電容之比，與電容相對(duì)值有關(guān)，這樣才惹起人們的注重。1979年一些興旺國(guó)度單片SCF已成爲(wèi)商品（屬于高度失密技術(shù)）。如今SC技術(shù)已趨成熟。SCF采用MOS工藝加以完成，被公以為80年代網(wǎng)絡(luò)實(shí)際與集成工藝的一個(gè)嚴(yán)重打破。以后MOS電容值普通爲(wèi)幾皮法至100pF之內(nèi)，它具有（10～100）×10-6/V的電壓系數(shù)與（10～100）×10-6/℃的溫度系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)簡(jiǎn)直接近理想的境界。SCF具有下列一些優(yōu)點(diǎn)：SCF可以大規(guī)模集成；SCF精度高，由于其功能取決于電容之比，而MOS電容之比的誤差小于千分之一；功用多，簡(jiǎn)直一切電子部件和功用均可以由SC技術(shù)來(lái)完成；比數(shù)字濾波器復(fù)雜，由于不需求A/D、D/A轉(zhuǎn)換；功用小，可以做到小于10mW。

SCF的使用以聲頻范圍使用爲(wèi)主體，任務(wù)頻率在100kHz之內(nèi)。在信號(hào)處置方面的使用有：程控SCF、模仿信號(hào)處置、振動(dòng)剖析、自順應(yīng)性濾波器、音樂綜合、共振譜、言語(yǔ)綜合器、音調(diào)選擇、語(yǔ)聲編碼、聲頻剖析、平衡器、解調(diào)器、鎖相電路、團(tuán)圓傅氏變換…… 總之，SCF在儀表測(cè)量、醫(yī)療儀器、數(shù)據(jù)或信息處置等許多范疇都有普遍的使用前景。

在我國(guó)，1978年有的導(dǎo)師和在校研討生開端停止這項(xiàng)研討任務(wù)，真正惹起人們注重是1980年當(dāng)前。1983年清華大學(xué)已制成單片SCF，成都工程學(xué)院與工廠結(jié)合，也研制成單片SCF。如今關(guān)鍵是用MOS工藝完成SCF及推行使用成績(jī)，由于用戶還不理解它，在我國(guó)SCF的使用還沒有普及。

五、SCF還有許多課題有待研討

(1) 由于運(yùn)放和控制MOS開關(guān)的采樣頻率所限制，使得SCF只能在音頻范圍內(nèi)使用。近年雖然呈現(xiàn)無(wú)運(yùn)放的SC電路，但由于采樣頻率的限制，任務(wù)頻率最高只要在1MHz之內(nèi)。

(2) 非的MOS開關(guān)的溝道電阻以及非理想的運(yùn)放特性，均可使SCF形成誤差。

(3) 開關(guān)電容自身的寄生電容使SCF的頻響發(fā)作畸變。

(4) MOS開關(guān)與MOS運(yùn)放的熱噪聲使SCF的靜態(tài)范圍遭到限制。

最終要以MOS工藝來(lái)完成的SCF，由于它是時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，要想用分立元件準(zhǔn)確模仿是不能夠的，這樣，設(shè)計(jì)完善的CAD技術(shù)是處理這一成績(jī)的獨(dú)一手腕。此外，在靈敏度剖析、噪聲剖析等方面均有許多課題有待研討。

六、幾種新型數(shù)字濾波器（DF）

(1)自順應(yīng)DF

最優(yōu)控制、自順應(yīng)控制和自學(xué)習(xí)控制都觸及到多參數(shù)、多變量的復(fù)雜控制零碎，都屬于古代控制實(shí)際研討的課題。自順應(yīng)DF具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自跟蹤功用。它在雷達(dá)和聲納的波束構(gòu)成、緩變?cè)肼晹嚁_的抑制、噪聲信號(hào)的處置、通訊信道的自順應(yīng)平衡、遠(yuǎn)間隔電話的回聲抵消等范疇取得了普遍的使用，促進(jìn)了古代控制實(shí)際的開展。

自順應(yīng)DF有如下一些復(fù)雜算法：W—LMS算法、M—LMS算法、TDO算法、差值LMS算法和C—LMS算法。

(2)單數(shù)DF

在輸出信號(hào)爲(wèi)窄帶信號(hào)處置零碎中，常采用單數(shù)DF技術(shù)。爲(wèi)了降低采樣率而又保管信號(hào)所包括的全部信息，可應(yīng)用正交雙路檢波法，取出窄帶信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，然后經(jīng)過A/D變換，將復(fù)包絡(luò)轉(zhuǎn)化爲(wèi)單數(shù)序列停止處置，這個(gè)信號(hào)處置零碎即爲(wèi)單數(shù)DF。它具有許多功用：MTI雷達(dá)中抑制具有卜勒頻移的雜波攪擾；數(shù)字通訊網(wǎng)與模仿通訊網(wǎng)之間多路TDM/FDM信號(hào)變換復(fù)接……

(3)多維DF

在圖像處置、地震、石油勘探的數(shù)據(jù)處置中都用到多維DF（常用是二維DF），多維DF的設(shè)計(jì)，往往將一維DF優(yōu)化設(shè)計(jì)間接推行到多維DF中去。關(guān)于模糊和隨機(jī)噪聲攪擾的二維圖像的處置，多維DF也能發(fā)揚(yáng)很棒的作用。

此外，還有波DF，它便于完成大規(guī)模集成，便于無(wú)源和有源濾波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字模仿。因而，正遭到人們的注重和加以研討。

關(guān)于DF有待研討的課題有：系數(shù)靈敏度、舍入噪聲和極限環(huán)、多維逆歸濾波器的波動(dòng)性、各種硬件和軟件完成DF的研討等等?？傊?，DF在數(shù)字信號(hào)處置技術(shù)中占有極爲(wèi)重要的位置，關(guān)于它的研討、消費(fèi)和使用等任務(wù)均是很有意義的。

七、其他新型濾波器

爲(wèi)順應(yīng)各種需求，呈現(xiàn)了一批新型濾波器，這里引見幾種已失掉普遍使用的新型濾波器。

(1)電控編程CCD橫向?yàn)V波器（FPCCDTF）

電荷耦合器（CCD）固定加權(quán)的橫向?yàn)V波器（TF）在信號(hào)處置中，其功能和造價(jià)均可與數(shù)字濾波器和各種信號(hào)處置部件媲美。這種濾波器次要用于自順應(yīng)濾波；P-N序列和Chirp波形的婚配濾波；通用化的頻域?yàn)V波器及相關(guān)積運(yùn)算；語(yǔ)音信號(hào)和相位平衡；相陣零碎的波束分解和電視信號(hào)的重影消弭等均有使用。當(dāng)然，更多的使用有待進(jìn)一步開辟?？傊?，F(xiàn)PCCDTF是最有希望的開展方向。

(2)晶體濾波器

它是順應(yīng)單邊帶技術(shù)而開展起來(lái)的。在20世紀(jì)70年代，集成晶體濾波器的發(fā)生，使它的開展發(fā)生一個(gè)飛躍。近十年來(lái)，晶體濾波器努力于上面一些研討：完成最佳設(shè)計(jì)，除具有優(yōu)秀的選擇外，還具有良好的時(shí)域呼應(yīng)；尋求新型資料；擴(kuò)展任務(wù)頻率；改造工藝，使其向集成化開展。它普遍使用于多路復(fù)用零碎中作爲(wèi)載波濾波器，在收發(fā)信中，單邊帶通訊機(jī)中作爲(wèi)選頻濾波器，在頻譜剖析儀和聲納安裝中作爲(wèi)中頻濾波器。

(3)聲外表濾波器

它是理想的超高頻器件。它的幅頻特性和相位特性可以辨別控制，以到達(dá)要求，而且它還有體積小，長(zhǎng)工夫波動(dòng)性好和工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。通常使用于：電視播送發(fā)射機(jī)中作爲(wèi)殘留邊帶濾波器；在黑色電視接納機(jī)中調(diào)諧零碎的外表梳形濾波器。此外，在國(guó)防衛(wèi)星通訊零碎中已普遍采用。聲外表濾波器是電子學(xué)和聲學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，而且可以集成，所以，它在一切無(wú)源濾波器中最有開展出路的。

各種新型濾波器太單一，限于篇幅，不再逐個(gè)敘說(shuō)。

我國(guó)目前各種濾波器的使用比例

我國(guó)柔性直流輸電電容器現(xiàn)有濾波器的品種和所掩蓋的頻率已根本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從全體而言，我國(guó)有源濾波器開展比無(wú)源濾波器遲緩，尚未少量消費(fèi)和使用。從上面的消費(fèi)使用比例可以看出我國(guó)各類濾波器的使用狀況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機(jī)器濾波器占15%；陶瓷和聲外表濾波器各占1%；其他各類濾波器共占13%。從這些使用比例來(lái)看，我國(guó)電子商品要想完成大規(guī)模集成，濾波器集成化依然是個(gè)重要課題。

隨著電子工業(yè)的開展，對(duì)濾波器的功能要求越來(lái)越高，功用也越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向開展。我國(guó)濾波器研制和消費(fèi)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，爲(wèi)延長(zhǎng)這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有嚴(yán)重的歷史責(zé)任。