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摘 要:模拟滤波技术是实现对信号选频传输的一种最基本的技术。本文讨论了模拟滤波技术的发展过程,分析了各种滤波电路的优缺点,研究了该学科近年来的最新研究成果,展望了该领域的主要发展动向。
关键词:滤波技术MOSFET-C滤波器跨导电容滤波器电流传输器
中图分类号:TP27 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0015-01
滤波技术是根据信号的频率实现对信号进行有选择性的传输的一种技术。通过这种技术可以实现对电路中的某些信号进行传输、对其它信号不进行传输的功能。实现这种功能的电路称为滤波器。根据所处理信号的类型,可以将滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。滤波技术与我们的生活关系密切,它与高科技产品同步发展。小到日用电器中的收音机、电视和手机,大到高科技的航天飞机、水下潜艇和机器人都离不开这种技术。电路理论的许多新发展往往都是在滤波技术研究需求的推动下产生的,同时电路理论的许多新成就也往往被首先用在滤波器的分析与设计中。这方面的研究已经取得了丰硕的成果,对滤波技术和滤波器的深入研究具有重要的理论价值和实际意义。
1 模拟滤波技术的几个主要发展阶段
1.1 无源滤波技术阶段
从20世纪20年代到60年代,实际应用的滤波器主要是由电阻、电感和电容等无源元件构成的,称为无源滤波器。无源滤波器当时主要用在收音机、电话等通讯设备中。这种滤波器的结构简单、使用方便,工作频率很高。但它的主要缺点是体积大、重量重。特别是当它工作在较低的频率时,所需电感比较大,而且电感的品质因数比较低,严重影响滤波效果和使用范围。为了减小滤波器的体积和成本,提高滤波器的滤波效果,扩大应用范围,人们寻求用其他电路来代替电感。
1.2 有源RC滤波技术阶段
20世纪50年代的研究发现,用有源电路替代电感也可实现无源网络的频率特性。这种滤波电路一般是用用电阻、电容和运算放大器这类有源器件构成的,称为有源RC滤波器。有源滤波器的主要优点是:1)尺寸小,重量轻。2)可以采用集成工艺大批量进行生产,价格低,可靠性高。3)可以提供增益,对信号进行放大。4)可以与数字电路集成在同一芯片上。有源滤波器的不足之处主要是:1)工作频率范围受有源器件有限带宽的限制。2)元件值和工作条件的变化对滤波器的性能影响较大,即灵敏度相对来说比较高。
1.3 新型有源滤波技术阶段
有源RC滤波器虽然用有源电路替代了电感,解决了电感不能直接集成的问题,但是这种滤波器仍然需要电阻,它在集成实现时也还会遇到很多实际问题,这主要是:1)不便于用MOS工艺直接集成。2)体积较大,需占用较大的芯片面积。3)元件的精度不高。为了解决这些问题,特别为了解决滤波器如何集成实现的问题,20世纪80年代以来,对各种新型有源滤波技术的研究飞速发展,出现了多种形式的新型全集成有源滤波器,代表着滤波器发展的新方向。
2 模拟滤波技术的新成果和发展动向
在模拟滤波器研究方面,近年来具有代表性的新成果有MOSFET-C滤波器、跨导电容滤波器、开关电容和开关电流滤波器、基于电流传输器的滤波器和对数域滤波器等。
(1)MOSFET-C滤波器。由MOS场效应管、电容和运算放大器组成的滤波器称为场效应管-电容滤波器,也称为MOSFET-C滤波器。其中的MOS场效应管是作为一个等效电阻使用的,称为MOSFET可控电阻。MOSFET-C滤波器利用MOS场效应管的非饱和特性构成压控可调电阻,用它替代有源RC滤波器中的电阻,使有源滤波器能够全部集成,解决了有源滤波器的高精度、全集成化的问题。MOSFET-C滤波器具有体积小、功耗低、噪声小、设计简单、适合高频应用等优点,从1983年提出以来得到了迅速的发展和较广泛的应用。
(2)跨导电容滤波器。由跨导放大器和电容构成的滤波器称为跨导电容滤波器。它以跨导放大器作为有源器件,利用跨导放大器的电导特性,将跨导放大器作为电阻元件使用,以实现有源滤波器的全集成实现。跨导电容滤波器可以比较容易地实现对滤波器频率特性的调整。与有源RC滤波器和MOSFET-C滤波器相比,跨导电容滤波器工作频率较高,最适宜于高速应用,但是线性较差。
(3)基于电流传输器的有源滤波器。电流传输器是20世纪60年代发明的一种新型的有源器件。以电流传输器为基本有源器件所设计的滤波器称为基于电流传输器的有源滤波器。电流传输器的基本作用与电压模电路中的运算放大器相似。但以电流传输器为基础组成的电流模电路比电压模电路具有较宽的带宽,较高的工作频率和更好的性能。
(4)对数域滤波器。对数域滤波器是Admas在1979年提出的,它的基本思想是利用非线性元件实现线性电路。这种电路也称为外部线性内部非线性电路。在这种电路中,主要的有源器件是晶体管,在设计电路时利用晶体管的输入电压与输出电流之间自然存在着的严格对数关系,所以这种电路称为对数域电路,这样实现的滤波器称为对数域滤波器。
(５)开关电容和开关电流滤波器。为了克服有源RC滤波器存在的缺点,人们设法将其中的电阻用MOS开关和电容取代,这就产生了由电容、运算放大器和受时钟控制的MOS开关组成的有源滤波器,称为开关电容滤波器。开关电容滤波器不仅克服了有源RC滤波器不便直接集成的主要缺点,同时还具有MOS电路的许多优点。因而在滤波器中和其它非滤波领域都得到了极其广泛的应用。开关电容电路的缺点,一是需要线性电容,这就增加了电路的成本。另一个缺点是,开关电容电路属于电压模式电路,当电源电压降低时,输出信号的动态范围会减小。为了克服开关电容电路的缺点,Hughes等人于1989年提出了用MOS开关和电流镜实现信号处理功能的开关电流(SI)技术。开关电流电路的优点是:不需要线性电容,电路简单,功耗低,速度快,动态范围宽,生产成本低。
目前,全集成滤波器主要是朝着高频、低电压和低功耗的方向发展。这方面的研究工作还在不断地深入。随着它和与它相关的科学和技术的发展,一定会使我们的生活更加丰富多彩。
參考文献
[1] 邱关源．现代电路理论[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2] 杨志民,马义德,张新国.现代电路理论与设计[M].北京:清华大学出版社,2010.
[3] 赵玉山,周跃庆,王萍.电流模式电子电路[M].天津:天津大学出版社,2001.
[4] 杨志民,张洁,马永杰,摆玉龙,马胜前.基于电流传输器的蔡氏混沌电路的设计和实现[J].物理学报.2010,59(5):87-96.
关键词:滤波技术MOSFET-C滤波器跨导电容滤波器电流传输器
中图分类号:TP27 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0015-01
滤波技术是根据信号的频率实现对信号进行有选择性的传输的一种技术。通过这种技术可以实现对电路中的某些信号进行传输、对其它信号不进行传输的功能。实现这种功能的电路称为滤波器。根据所处理信号的类型,可以将滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。滤波技术与我们的生活关系密切,它与高科技产品同步发展。小到日用电器中的收音机、电视和手机,大到高科技的航天飞机、水下潜艇和机器人都离不开这种技术。电路理论的许多新发展往往都是在滤波技术研究需求的推动下产生的,同时电路理论的许多新成就也往往被首先用在滤波器的分析与设计中。这方面的研究已经取得了丰硕的成果,对滤波技术和滤波器的深入研究具有重要的理论价值和实际意义。
1 模拟滤波技术的几个主要发展阶段
1.1 无源滤波技术阶段
从20世纪20年代到60年代,实际应用的滤波器主要是由电阻、电感和电容等无源元件构成的,称为无源滤波器。无源滤波器当时主要用在收音机、电话等通讯设备中。这种滤波器的结构简单、使用方便,工作频率很高。但它的主要缺点是体积大、重量重。特别是当它工作在较低的频率时,所需电感比较大,而且电感的品质因数比较低,严重影响滤波效果和使用范围。为了减小滤波器的体积和成本,提高滤波器的滤波效果,扩大应用范围,人们寻求用其他电路来代替电感。
1.2 有源RC滤波技术阶段
20世纪50年代的研究发现,用有源电路替代电感也可实现无源网络的频率特性。这种滤波电路一般是用用电阻、电容和运算放大器这类有源器件构成的,称为有源RC滤波器。有源滤波器的主要优点是:1)尺寸小,重量轻。2)可以采用集成工艺大批量进行生产,价格低,可靠性高。3)可以提供增益,对信号进行放大。4)可以与数字电路集成在同一芯片上。有源滤波器的不足之处主要是:1)工作频率范围受有源器件有限带宽的限制。2)元件值和工作条件的变化对滤波器的性能影响较大,即灵敏度相对来说比较高。
1.3 新型有源滤波技术阶段
有源RC滤波器虽然用有源电路替代了电感,解决了电感不能直接集成的问题,但是这种滤波器仍然需要电阻,它在集成实现时也还会遇到很多实际问题,这主要是:1)不便于用MOS工艺直接集成。2)体积较大,需占用较大的芯片面积。3)元件的精度不高。为了解决这些问题,特别为了解决滤波器如何集成实现的问题,20世纪80年代以来,对各种新型有源滤波技术的研究飞速发展,出现了多种形式的新型全集成有源滤波器,代表着滤波器发展的新方向。
2 模拟滤波技术的新成果和发展动向
在模拟滤波器研究方面,近年来具有代表性的新成果有MOSFET-C滤波器、跨导电容滤波器、开关电容和开关电流滤波器、基于电流传输器的滤波器和对数域滤波器等。
(1)MOSFET-C滤波器。由MOS场效应管、电容和运算放大器组成的滤波器称为场效应管-电容滤波器,也称为MOSFET-C滤波器。其中的MOS场效应管是作为一个等效电阻使用的,称为MOSFET可控电阻。MOSFET-C滤波器利用MOS场效应管的非饱和特性构成压控可调电阻,用它替代有源RC滤波器中的电阻,使有源滤波器能够全部集成,解决了有源滤波器的高精度、全集成化的问题。MOSFET-C滤波器具有体积小、功耗低、噪声小、设计简单、适合高频应用等优点,从1983年提出以来得到了迅速的发展和较广泛的应用。
(2)跨导电容滤波器。由跨导放大器和电容构成的滤波器称为跨导电容滤波器。它以跨导放大器作为有源器件,利用跨导放大器的电导特性,将跨导放大器作为电阻元件使用,以实现有源滤波器的全集成实现。跨导电容滤波器可以比较容易地实现对滤波器频率特性的调整。与有源RC滤波器和MOSFET-C滤波器相比,跨导电容滤波器工作频率较高,最适宜于高速应用,但是线性较差。
(3)基于电流传输器的有源滤波器。电流传输器是20世纪60年代发明的一种新型的有源器件。以电流传输器为基本有源器件所设计的滤波器称为基于电流传输器的有源滤波器。电流传输器的基本作用与电压模电路中的运算放大器相似。但以电流传输器为基础组成的电流模电路比电压模电路具有较宽的带宽,较高的工作频率和更好的性能。
(4)对数域滤波器。对数域滤波器是Admas在1979年提出的,它的基本思想是利用非线性元件实现线性电路。这种电路也称为外部线性内部非线性电路。在这种电路中,主要的有源器件是晶体管,在设计电路时利用晶体管的输入电压与输出电流之间自然存在着的严格对数关系,所以这种电路称为对数域电路,这样实现的滤波器称为对数域滤波器。
(５)开关电容和开关电流滤波器。为了克服有源RC滤波器存在的缺点,人们设法将其中的电阻用MOS开关和电容取代,这就产生了由电容、运算放大器和受时钟控制的MOS开关组成的有源滤波器,称为开关电容滤波器。开关电容滤波器不仅克服了有源RC滤波器不便直接集成的主要缺点,同时还具有MOS电路的许多优点。因而在滤波器中和其它非滤波领域都得到了极其广泛的应用。开关电容电路的缺点,一是需要线性电容,这就增加了电路的成本。另一个缺点是,开关电容电路属于电压模式电路,当电源电压降低时,输出信号的动态范围会减小。为了克服开关电容电路的缺点,Hughes等人于1989年提出了用MOS开关和电流镜实现信号处理功能的开关电流(SI)技术。开关电流电路的优点是:不需要线性电容,电路简单,功耗低,速度快,动态范围宽,生产成本低。
目前,全集成滤波器主要是朝着高频、低电压和低功耗的方向发展。这方面的研究工作还在不断地深入。随着它和与它相关的科学和技术的发展,一定会使我们的生活更加丰富多彩。
參考文献
[1] 邱关源．现代电路理论[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2] 杨志民,马义德,张新国.现代电路理论与设计[M].北京:清华大学出版社,2010.
[3] 赵玉山,周跃庆,王萍.电流模式电子电路[M].天津:天津大学出版社,2001.
[4] 杨志民,张洁,马永杰,摆玉龙,马胜前.基于电流传输器的蔡氏混沌电路的设计和实现[J].物理学报.2010,59(5):87-96.