模擬濾波技術的發展和展望

摘 要:模擬濾波技術是實現對信號選頻傳輸的一種最基本的技術。本文討論了模擬濾波技術的發展過程，分析了各種濾波電路的優缺點，研究了該學科近年來的最新研究成果，展望了該領域的主要發展動向。

關鍵詞:濾波技術MOSFET-C濾波器跨導電容濾波器電流傳輸器

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

濾波技術是根據信號的頻率實現對信號進行有選擇性的傳輸的一種技術。通過這種技術可以實現對電路中的某些信號進行傳輸、對其它信號不進行傳輸的功能。實現這種功能的電路稱為濾波器。根據所處理信號的類型，可以將濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器。濾波技術與我們的生活關系密切，它與高科技產品同步發展。小到日用電器中的收音機、電視和手機，大到高科技的航天飛機、水下潛艇和機器人都離不開這種技術。電路理論的許多新發展往往都是在濾波技術研究需求的推動下產生的，同時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計中。這方面的研究已經取得了豐碩的成果，對濾波技術和濾波器的深入研究具有重要的理論價值和實際意義。

1 模擬濾波技術的幾個主要發展階段

1.1 無源濾波技術階段

從20世紀20年代到60年代，實際應用的濾波器主要是由電阻、電感和電容等無源元件構成的，稱為無源濾波器。無源濾波器當時主要用在收音機、電話等通訊設備中。這種濾波器的結構簡單、使用方便，工作頻率很高。但它的主要缺點是體積大、重量重。特別是當它工作在較低的頻率時，所需電感比較大，而且電感的品質因數比較低，嚴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，擴大應用范圍，人們尋求用其他電路來代替電感。

1.2 有源RC濾波技術階段

20世紀50年代的研究發現，用有源電路替代電感也可實現無源網絡的頻率特性。這種濾波電路一般是用用電阻、電容和運算放大器這類有源器件構成的，稱為有源RC濾波器。有源濾波器的主要優點是:1)尺寸小，重量輕。2)可以采用集成工藝大批量進行生產，價格低，可靠性高。3)可以提供增益，對信號進行放大。4)可以與數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，它在集成實現時也還會遇到很多實際問題，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現的問題，20世紀80年代以來，對各種新型有源濾波技術的研究飛速發展，出現了多種形式的新型全集成有源濾波器，代表著濾波器發展的新方向。

2 模擬濾波技術的新成果和發展動向

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、跨導電容濾波器、開關電容和開關電流濾波器、基于電流傳輸器的濾波器和對數域濾波器等。

(1)MOSFET-C濾波器。由MOS場效應管、電容和運算放大器組成的濾波器稱為場效應管-電容濾波器，也稱為MOSFET-C濾波器。其中的MOS場效應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場效應管的非飽和特性構成壓控可調電阻，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、設計簡單、適合高頻應用等優點，從1983年提出以來得到了迅速的發展和較廣泛的應用。

(2)跨導電容濾波器。由跨導放大器和電容構成的濾波器稱為跨導電容濾波器。它以跨導放大器作為有源器件，利用跨導放大器的電導特性，將跨導放大器作為電阻元件使用，以實現有源濾波器的全集成實現。跨導電容濾波器可以比較容易地實現對濾波器頻率特性的調整。與有源RC濾波器和MOSFET-C濾波器相比，跨導電容濾波器工作頻率較高，最適宜于高速應用，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60年代發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計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算放大器相似。但以電流傳輸器為基礎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)對數域濾波器。對數域濾波器是Admas在1979年提出的，它的基本思想是利用非線性元件實現線性電路。這種電路也稱為外部線性內部非線性電路。在這種電路中，主要的有源器件是晶體管，在設計電路時利用晶體管的輸入電壓與輸出電流之間自然存在著的嚴格對數關系，所以這種電路稱為對數域電路，這樣實現的濾波器稱為對數域濾波器。

(５)開關電容和開關電流濾波器。為了克服有源RC濾波器存在的缺點，人們設法將其中的電阻用MOS開關和電容取代，這就產生了由電容、運算放大器和受時鐘控制的MOS開關組成的有源濾波器，稱為開關電容濾波器。開關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，同時還具有MOS電路的許多優點。因而在濾波器中和其它非濾波領域都得到了極其廣泛的應用。開關電容電路的缺點，一是需要線性電容，這就增加了電路的成本。另一個缺點是，開關電容電路屬于電壓模式電路，當電源電壓降低時，輸出信號的動態范圍會減小。為了克服開關電容電路的缺點，Hughes等人于1989年提出了用MOS開關和電流鏡實現信號處理功能的開關電流(SI)技術。開關電流電路的優點是:不需要線性電容，電路簡單，功耗低，速度快，動態范圍寬，生產成本低。

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展。這方面的研究工作還在不斷地深入。隨著它和與它相關的科學和技術的發展，一定會使我們的生活更加豐富多彩。

參考文獻

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