滤波器发展史发展历史和未来的发展趋势及覆盖范围!

滤波器发展史
发展历史和未来的发展趋势及覆盖范围!

滤波器的发展历程
---凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器.在近代电信设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,技术最为复杂的要算滤波器了.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.
---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.20世纪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已被研制出来并得到应用.80年代,致力于各类新型滤波器的研究,努力提高性能并逐渐扩大应用范围.90年代至现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年代后期的事,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、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐,但由于缺少专门研制机构,集成工艺和材料工业跟不上来,使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离.
滤波器的分类
---滤波器有各种不同的分类,一般有如下几种.（1）按处理信号类型分类---按处理信号类型分类,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,如图所示.
---实际上有些滤波器很难归于哪一类,例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器,又可属于混合滤波器,还可属于有源滤波器.因此,我们不必苛求这种“精确”分类,只是让人们了解滤波器的大体类型,有个总体概念就行了.（2）按选择物理量分类
---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.（3）按频率通带范围分类
---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,有些是众所周知的,有些可能不为大家所熟悉,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.70年代初期,有源滤波器发展引人注目,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年产生了更高频的RC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的存在,给集成工艺造成困难,于是又出现了有源C滤波器：就是滤波器由C和运放组成.这样容易集成,更重要的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,使这种滤波器发展前途不大.
---总之,由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的研究；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,集成占芯片面积大,电阻误差大（20%～30%）,线性度差等缺点,使大规模集成仍然有困难.尽管有这么多问题,RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中.
开关电容滤波器（SCF）
---20世纪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了,于是,人们只能另辟新径.50年代曾有人提出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.1972年,美国一个叫Fried的科学家发表了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采用MOS工艺加以实现,被公认为80年代网络理论与集成工艺的一个重大突破.当前MOS电容值一般为几皮法至100pF之内,它具有（10～100）×10-6/V的电压系数与（10～100）×10-6/℃的温度系数,这两个系数几乎接近理想的境界.SCF具有下列一些优点：SCF可以大规模集成；SCF精度高,因为其性能取决于电容之比,而MOS电容之比的误差小于千分之一；功能多,几乎所有电子部件和功能均可以由SC技术来实现；比数字滤波器简单,因为不需要A/D、D/A转换；功能小,可以做到小于10mW.
---SCF的应用以声频范围应用为主体,工作频率在100kHz之内.在信号处理方面的应用有：程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换…… 总之,SCF在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用前景.
---在我国,1978年有的导师和在校研究生开始进行这项研究工作,真正引起人们重视是1980年以后.1983年清华大学已制成单片SCF,成都工程学院与工厂联合,也研制成单片SCF.现在关键是用MOS工艺实现SCF及推广应用问题,由于用户还不了解它,在我国SCF的应用还没有普及.
---SCF还有许多课题有待研究：
①由于运放和控制MOS开关的采样频率所限制,使得SCF只能在音频范围内应用.近年虽然出现无运放的SC电路,但由于采样频率的限制,工作频率最高只有在1MHz之内.②非的MOS开关的沟道电阻以及非理想的运放特性,均可使SCF造成误差.
③开关电容本身的寄生电容使SCF的频响发生畸变.
④MOS开关与MOS运放的热噪声使SCF的动态范围受到限制.
⑤最终要以MOS工艺来实现的SCF,由于它是时变网络,要想用分立元件精确模拟是不可能的,这样,设计完善的CAD技术是解决这一问题的唯一手段.此外,在灵敏度分析、噪声分析等方面均有许多课题有待研究.