模擬濾波技術(shù)的發(fā)展和展望

摘 要:模擬濾波技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對信號選頻傳輸?shù)囊环N最基本的技術(shù)。本文討論了模擬濾波技術(shù)的發(fā)展過程，分析了各種濾波電路的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了該學(xué)科近年來的最新研究成果，展望了該領(lǐng)域的主要發(fā)展動向。

關(guān)鍵詞:濾波技術(shù)MOSFET-C濾波器跨導(dǎo)電容濾波器電流傳輸器

中圖分類號:TP27文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0015-01

濾波技術(shù)是根據(jù)信號的頻率實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行有選擇性的傳輸?shù)囊环N技術(shù)。通過這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對電路中的某些信號進(jìn)行傳輸、對其它信號不進(jìn)行傳輸?shù)墓δ堋?shí)現(xiàn)這種功能的電路稱為濾波器。根據(jù)所處理信號的類型，可以將濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。濾波技術(shù)與我們的生活關(guān)系密切，它與高科技產(chǎn)品同步發(fā)展。小到日用電器中的收音機(jī)、電視和手機(jī)，大到高科技的航天飛機(jī)、水下潛艇和機(jī)器人都離不開這種技術(shù)。電路理論的許多新發(fā)展往往都是在濾波技術(shù)研究需求的推動下產(chǎn)生的，同時(shí)電路理論的許多新成就也往往被首先用在濾波器的分析與設(shè)計(jì)中。這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，對濾波技術(shù)和濾波器的深入研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

1 模擬濾波技術(shù)的幾個主要發(fā)展階段

1.1 無源濾波技術(shù)階段

從20世紀(jì)20年代到60年代，實(shí)際應(yīng)用的濾波器主要是由電阻、電感和電容等無源元件構(gòu)成的，稱為無源濾波器。無源濾波器當(dāng)時(shí)主要用在收音機(jī)、電話等通訊設(shè)備中。這種濾波器的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，工作頻率很高。但它的主要缺點(diǎn)是體積大、重量重。特別是當(dāng)它工作在較低的頻率時(shí)，所需電感比較大，而且電感的品質(zhì)因數(shù)比較低，嚴(yán)重影響濾波效果和使用范圍。為了減小濾波器的體積和成本，提高濾波器的濾波效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，人們尋求用其他電路來代替電感。

1.2 有源RC濾波技術(shù)階段

20世紀(jì)50年代的研究發(fā)現(xiàn)，用有源電路替代電感也可實(shí)現(xiàn)無源網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。這種濾波電路一般是用用電阻、電容和運(yùn)算放大器這類有源器件構(gòu)成的，稱為有源RC濾波器。有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是:1)尺寸小，重量輕。2)可以采用集成工藝大批量進(jìn)行生產(chǎn)，價(jià)格低，可靠性高。3)可以提供增益，對信號進(jìn)行放大。4)可以與數(shù)字電路集成在同一芯片上。有源濾波器的不足之處主要是:1)工作頻率范圍受有源器件有限帶寬的限制。2)元件值和工作條件的變化對濾波器的性能影響較大，即靈敏度相對來說比較高。

1.3 新型有源濾波技術(shù)階段

有源RC濾波器雖然用有源電路替代了電感，解決了電感不能直接集成的問題，但是這種濾波器仍然需要電阻，它在集成實(shí)現(xiàn)時(shí)也還會遇到很多實(shí)際問題，這主要是:1)不便于用MOS工藝直接集成。2)體積較大，需占用較大的芯片面積。3)元件的精度不高。為了解決這些問題，特別為了解決濾波器如何集成實(shí)現(xiàn)的問題，20世紀(jì)80年代以來，對各種新型有源濾波技術(shù)的研究飛速發(fā)展，出現(xiàn)了多種形式的新型全集成有源濾波器，代表著濾波器發(fā)展的新方向。

2 模擬濾波技術(shù)的新成果和發(fā)展動向

在模擬濾波器研究方面，近年來具有代表性的新成果有MOSFET-C濾波器、跨導(dǎo)電容濾波器、開關(guān)電容和開關(guān)電流濾波器、基于電流傳輸器的濾波器和對數(shù)域?yàn)V波器等。

(1)MOSFET-C濾波器。由MOS場效應(yīng)管、電容和運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為場效應(yīng)管-電容濾波器，也稱為MOSFET-C濾波器。其中的MOS場效應(yīng)管是作為一個等效電阻使用的，稱為MOSFET可控電阻。MOSFET-C濾波器利用MOS場效應(yīng)管的非飽和特性構(gòu)成壓控可調(diào)電阻，用它替代有源RC濾波器中的電阻，使有源濾波器能夠全部集成，解決了有源濾波器的高精度、全集成化的問題。MOSFET-C濾波器具有體積小、功耗低、噪聲小、設(shè)計(jì)簡單、適合高頻應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，從1983年提出以來得到了迅速的發(fā)展和較廣泛的應(yīng)用。

(2)跨導(dǎo)電容濾波器。由跨導(dǎo)放大器和電容構(gòu)成的濾波器稱為跨導(dǎo)電容濾波器。它以跨導(dǎo)放大器作為有源器件，利用跨導(dǎo)放大器的電導(dǎo)特性，將跨導(dǎo)放大器作為電阻元件使用，以實(shí)現(xiàn)有源濾波器的全集成實(shí)現(xiàn)。跨導(dǎo)電容濾波器可以比較容易地實(shí)現(xiàn)對濾波器頻率特性的調(diào)整。與有源RC濾波器和MOSFET-C濾波器相比，跨導(dǎo)電容濾波器工作頻率較高，最適宜于高速應(yīng)用，但是線性較差。

(3)基于電流傳輸器的有源濾波器。電流傳輸器是20世紀(jì)60年代發(fā)明的一種新型的有源器件。以電流傳輸器為基本有源器件所設(shè)計(jì)的濾波器稱為基于電流傳輸器的有源濾波器。電流傳輸器的基本作用與電壓模電路中的運(yùn)算放大器相似。但以電流傳輸器為基礎(chǔ)組成的電流模電路比電壓模電路具有較寬的帶寬，較高的工作頻率和更好的性能。

(4)對數(shù)域?yàn)V波器。對數(shù)域?yàn)V波器是Admas在1979年提出的，它的基本思想是利用非線性元件實(shí)現(xiàn)線性電路。這種電路也稱為外部線性內(nèi)部非線性電路。在這種電路中，主要的有源器件是晶體管，在設(shè)計(jì)電路時(shí)利用晶體管的輸入電壓與輸出電流之間自然存在著的嚴(yán)格對數(shù)關(guān)系，所以這種電路稱為對數(shù)域電路，這樣實(shí)現(xiàn)的濾波器稱為對數(shù)域?yàn)V波器。

(５)開關(guān)電容和開關(guān)電流濾波器。為了克服有源RC濾波器存在的缺點(diǎn)，人們設(shè)法將其中的電阻用MOS開關(guān)和電容取代，這就產(chǎn)生了由電容、運(yùn)算放大器和受時(shí)鐘控制的MOS開關(guān)組成的有源濾波器，稱為開關(guān)電容濾波器。開關(guān)電容濾波器不僅克服了有源RC濾波器不便直接集成的主要缺點(diǎn)，同時(shí)還具有MOS電路的許多優(yōu)點(diǎn)。因而在濾波器中和其它非濾波領(lǐng)域都得到了極其廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電容電路的缺點(diǎn)，一是需要線性電容，這就增加了電路的成本。另一個缺點(diǎn)是，開關(guān)電容電路屬于電壓模式電路，當(dāng)電源電壓降低時(shí)，輸出信號的動態(tài)范圍會減小。為了克服開關(guān)電容電路的缺點(diǎn)，Hughes等人于1989年提出了用MOS開關(guān)和電流鏡實(shí)現(xiàn)信號處理功能的開關(guān)電流(SI)技術(shù)。開關(guān)電流電路的優(yōu)點(diǎn)是:不需要線性電容，電路簡單，功耗低，速度快，動態(tài)范圍寬，生產(chǎn)成本低。

目前，全集成濾波器主要是朝著高頻、低電壓和低功耗的方向發(fā)展。這方面的研究工作還在不斷地深入。隨著它和與它相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，一定會使我們的生活更加豐富多彩。

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