濾波器發展史

1917年，美國和德國科學家分別發明了LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統的出現。20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。

自60年代起，由于計算機技術、集成工藝和材料工業的發展，濾波器發展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩定可靠成為70年代以后的主攻方向。

一、濾波器發展

凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。

在近代電信設備和各類控制系統中，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最為復雜的要算濾波器了。濾波器的優劣直接決定產品的優劣，所以，對濾波器的研究和生產歷來為各國所重視，導致RC有源濾波器、數字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴大應用范圍。90年代至現在主要致力于把各類濾波器應用于各類產品的開發和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。

我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經過半個世紀的發展，我國濾波器在研制、生產和應用等方面已納入國際發展步伐，但由于缺少專門研制機構，集成工藝和材料工業跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應用與國際發展有一段距離。

二、濾波器的分類

濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種：

（1）按處理信號類型分類。按處理信號類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數字、取樣模擬、混合三個分類。當然，每個分類又可繼續分下去。總之，它們的分類可以形成一個樹形結構，實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。

（2）按選擇物理量分類。按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）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，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。

濾波器種類繁多，有些是眾所周知的，有些可能不為大家所熟悉，下面著重介紹近年來發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：運算放大器、負電阻、負電容、負電感、頻率變阻器（FDNR）、廣義阻抗變換器（GIC）、負阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態元件極子和零子。

1965年單片集成運算放大器問世后，為有源濾波器開辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發展引人注目，1978年單片RC有源濾波器問世，為濾波器集成邁進了可喜的一步。由于運放的增益和相移均為頻率的函數，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為20kHz左右，經過補償后，工作頻率也限制在100kHz以內。1974年產生了更高頻的RC有源濾波器，使工作頻率可達GB/4（GB為運放增益與帶寬之積）。

由于R的存在，給集成工藝造成困難，于是又出現了有源C濾波器：就是濾波器由C和運放組成。這樣容易集成，更重要的是提高了濾波器的精度，因為有源C濾波器的性能只取決于電容之比，與電容絕對值無關。但它有一個主要問題：由于各支路元件均為電容，所以運放沒有直流反饋通道，使穩定性成為難題。

1982年，由Geiger、Allen和Ngo提出用連續的開關電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構成了SRC濾波器。它仍屬于模擬濾波器，但由于采用預置電路和復雜的相位時鐘，使這種濾波器發展前途不大。

總之，由RC有源濾波器為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1000，克服了RLC無源濾波器體積大，Q值小的缺點。但它仍有許多課題有待進一步研究：理想運放與實際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進，單片集成有待進一步研究；應用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續探索；元件的絕對值容差的存在，影響濾波器精度和性能等問題仍未解決；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%～30%），線性度差等缺點，使大規模集成仍然有困難。盡管有這么多問題，RC有源濾波器的理論和應用仍在持續發展中。

四、開關電容濾波器（SCF）

20世紀80年代技術改造一個重大課題是實現各種電子系統全面大規模集成（LSI）。使用最多的濾波器成為“攔路虎”，RC有源濾波器不能實現LSI，無源濾波器和機械濾波器更不用說了，于是，人們只能另辟新徑。

50年代曾有人提出SCF的概念，由于當時集成工藝不過關，并沒有引起人們的重視。1972年，美國一個叫Fried的科學家發表了用開關和電容模擬電阻R，說SCF的性能只取決于電容之比，與電容絕對值無關，這樣才引起人們的重視。1979年，一些發達國家單片SCF已成為商品（屬于高度保密技術）?，F在，SC技術已趨成熟。SCF采用MOS工藝加以實現，被公認為80年代網絡理論與集成工藝的一個重大突破。當前，MOS電容值一般為幾皮法至100pF之內，它具有（10～100）×10-6/V的電壓系數與（10～100）×10-6/℃的溫度系數，這兩個系數幾乎接近理想的境界。

SCF具有下列一些優點：SCF可以大規模集成；SCF精度高，因為其性能取決于電容之比，而MOS電容之比的誤差小于千分之一；功能多，幾乎所有電子部件和功能均可以由SC技術來實現；比數字濾波器簡單，因為不需要A/D、D/A轉換；功率小，可以做到小于10mW。SCF的應用以聲頻范圍應用為主體，工作頻率在100kHz之內。在信號處理方面的應用有：程控SCF、模擬信號處理、振動分析、自適應性濾波器、音樂綜合、共振譜、語言綜合器、音調選擇、語聲編碼、聲頻分析、均衡器、解調器、鎖相電路、離散傅氏變換……總之，SCF在儀表測量、醫療儀器、數據或信息處理等許多領域都有廣泛的應用前景。

在我國，1978年有的導師和在校研究生開始進行這項研究工作，真正引起人們重視是1980年以后。1983年，清華大學已制成單片SCF；成都工程學院與工廠聯合，也研制成單片SCF?，F在關鍵是用MOS工藝實現SCF及推廣應用問題，由于用戶還不了解它，在我國SCF的應用還沒有普及。

五、SCF還有許多課題有待研究

(1) 由于運放和控制MOS開關的采樣頻率所限制，使得SCF只能在音頻范圍內應用。近年雖然出現無運放的SC電路，但由于采樣頻率的限制，工作頻率最高只有在1MHz之內。

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

(3) 開關電容本身的寄生電容使SCF的頻響發生畸變。

(4)MOS開關與MOS運放的熱噪聲使SCF的動態范圍受到限制。最終要以MOS工藝來實現的SCF，由于它是時變網絡，要想用分立元件精確模擬是不可能的，這樣，設計完善的CAD技術是解決這一問題的唯一手段。

此外，在靈敏度分析、噪聲分析等方面均有許多課題有待研究。

六、幾種新型數字濾波器（DF）

(1) 自適應DF

最優控制、自適應控制和自學習控制都涉及到多參數、多變量的復雜控制系統，都屬于現代控制理論研究的課題。自適應DF具有很強的自學習、自跟蹤功能。它在雷達和聲納的波束形成、緩變噪聲干擾的抑制、噪聲信號的處理、通信信道的自適應均衡、遠距離電話的回聲抵消等領域獲得了廣泛的應用，促進了現代控制理論的發展。自適應DF有如下一些簡單算法：W-LMS算法、M-LMS算法、TDO算法、差值LMS算法和C-LMS算法。

(2) 復數DF

在輸入信號為窄帶信號處理系統中，常采用復數DF技術。為了降低采樣率而又保存信號所包含的全部信息，可利用正交雙路檢波法，取出窄帶信號的復包絡，然后通過A/D變換，將復包絡轉化為復數序列進行處理，這個信號處理系統即為復數DF。它具有許多功能：MTI雷達中抑制具有多普勒頻移的雜波干擾；數字通信網與模擬通信網之間多路TDM/FDM信號變換復接……

(3) 多維DF

在圖像處理、地震、石油勘探的數據處理中都用到多維DF（常用是二維DF）。多維DF的設計，往往將一維DF優化設計直接推廣到多維DF中去。對于模糊和隨機噪聲干擾的二維圖像的處理，多維DF也能發揮很好的作用。此外，還有波DF，它便于實現大規模集成，便于無源和有源濾波網絡的數字模擬，因此，正受到人們的重視和加以研究。

對于DF有待研究的課題有：系數靈敏度、舍入噪聲和極限環、多維逆歸濾波器的穩定性、各種硬件和軟件實現DF的研究等等。

總之，DF在數字信號處理技術中占有極為重要的地位，對于它的研究、生產和應用等工作均是很有意義的。

七、其他新型濾波器

為適應各種需要，出現了一批新型濾波器，這里介紹幾種已得到廣泛應用的新型濾波器。

(1) 電控編程CCD橫向濾波器（FPCCDTF）。電荷耦合器（CCD）、固定加權的橫向濾波器（TF），在信號處理中，其性能和造價均可與數字濾波器和各種信號處理部件媲美。這種濾波器主要用于自適應濾波；P-N序列和Chirp波形的匹配濾波；通用化的頻域濾波器及相關積運算；語音信號和相位均衡；相陣系統的波束合成和電視信號的重影消除等均有應用。當然，更多的應用有待進一步開拓。總之，FPCCDTF是最有希望的發展方向。

(2) 晶體濾波器。它是適應單邊帶技術而發展起來的。在20世紀70年代，集成晶體濾波器的產生，使它的發展產生一個飛躍。近十年來，晶體濾波器致力于下面一些研究：實現最佳設計，除具有優良的選擇外，還具有良好的時域響應；尋求新型材料；擴展工作頻率；改造工藝，使其向集成化發展。它廣泛應用于多路復用系統中作為載波濾波器，在收發信中，單邊帶通信機中作為選頻濾波器，在頻譜分析儀和聲納裝置中作為中頻濾波器。

(3) 聲表面濾波器。它是理想的超高頻器件。它的幅頻特性和相位特性可以分別控制，以達到要求，而且它還有體積小，長時間穩定性好和工藝簡單等特點。通常應用于：電視廣播發射機中作為殘留邊帶濾波器；在彩色電視接收機中調諧系統的表面梳形濾波器。此外，在國防衛星通信系統中已廣泛采用。

聲表面濾波器是電子學和聲學相結合的產物，而且可以集成，所以，它在所有無源濾波器中最有發展前途的。

各種新型濾波器太繁多，限于篇幅，不再一一敘述。

八、我國目前各種濾波器的應用比例

我國現有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現有各種電信設備。從整體而言，我國有源濾波器發展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產和應用。從下面的生產應用比例可以看出我國各類濾波器的應用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%。從這些應用比例來看，我國電子產品要想實現大規模集成，濾波器集成化仍然是個重要課題。隨著電子工業的發展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發展。

我國濾波器研制和生產與上述要求相差甚遠，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負有重大的歷史責任。