正在研究经典模拟过滤器仍然值得吗？

文章：Bill Schweber

使用电感、电容和电阻的模拟滤波器对大多数电路和系统都是至关重要的。无论是被动的还是主动的设计，有时它们似乎已经被研究“无限和万博投注网址超越”，通过理论结构与非常密集的数学，与实际的“应用笔记”设计和BOMs，甚至与实际的物理构造细节动手电路。这是有意义的，因为滤波器在信号路径中扮演多种重要角色，无论应用领域如何。无论是低通、高通、带通还是陷波，它们都是必要的，即使它们没有增加信号的价值，因为它们提高了信噪比，减少了来自附近信道的干扰，减弱了50/60 Hz的拾取，这只是它们众多用途中的一小部分。

尽管如此，经典的滤波器理论是一个可以驱使学生和工程师进入奇怪的思维状态的主题，因为他们有令人难以置信和头脑麻木的版本和实现，有这么多不同的拓扑结构，如派滤波器(图1)，切比雪夫，萨伦-基，巴特沃斯，Cauer(椭圆)和高斯，举几个例子。然后是它们的属性:一级，二级，滚动，通带纹波，阻带纹波，相位性能，平衡(差分)-这是另一个长列表。

图1：PI过滤器（Quora）

图2:Rose-Hulman Sallen-Key过滤器

(当然，这些只是你的经典的全模拟滤波器。还有一种准模拟开关电容滤波器，它利用多个电容器之间的电荷平衡和时钟开关来实现滤波功能。这些是滤波器名册上有价值的补充，因为它们与集成电路工艺兼容，在许多情况下可以消除对离散元件滤波器的需要。)

经典模拟滤波器可用于数百兆赫甚至千兆赫范围。然而，这些集总元件滤波器越来越难以设计和制造成功，以适应这些更高的频率。寄生与组件容忍度和漂移使它们成为一个真正的挑战，这些过滤器经常需要单独修剪，以应对它们难以建模的现实。

如果没有离散组件过滤器的替代方案，由于大小，性能，一致性和成本，我们被包围的许多设备将是不切实际的。Obviously, these products are very practical, and it’s largely due to using a radically different approach to analog filters: the surface acoustic wave (SAW) and the bulk acoustic wave (BAW) filters (and their film bulk acoustic resonator – FBAR – sibling). SAW and BAW technologies have matured over the past decades to create low-cost, high-performance devices with no relationship to discrete-component analog filters.

相反，他们利用了众所周知的、通用的压电效应，将电能转化为声波，声波沿着工程陶瓷晶体材料(SAW)的表面(BAW)或内部(BAW)传播(参考文献1)。SAW器件的可用频率高达1 GHz，而BAW器件的覆盖范围很容易重叠，从1 GHz以下开始，进入多GHz状态。它们的一个共同点是都摈弃了对经典集总单元模拟滤波器设计理论和实践的研究。

图3：基本SAW滤波器（锯，BAW和无线图1的未来）

图4：SAW，BAW和Wireless的未来，图2

现实情况是，在今天的设计活动中，经典模拟滤波器的作用要小得多，但它们仍然被详细地教授。我对十多所主要大学的本科EE课程做了一个非科学的调查，除了两所以外，所有的大学都将classic filter design列为可用课程(尽管不清楚这是必修课还是选修课)。只有两所学校有锯和弓设备的课程。

这是因为教师觉得经典设计，仍然需要所有的数学和洞察力吗？还是因为他们很舒服地教它？或者因为那里有这么多紫色的材料，在这么多水平上很容易支持这样的课程？你的猜测和我的一样好。

我的观点是经典模拟过滤器理论应该是快速概述/调查课程：筛选器的筛选，为什么需要，不同类型和关键特性，以及用于量化其性能的参数 - 以及最小的数学。无论何种原因，那些最终需要更多地了解更多的人（或迷恋主题），可以轻松找到它。相反，专注于当前和未来的过滤器，包括SAW，BAW，谐振结构，甚至用于微波的波导滤波器（是的，仍然广泛使用），请参阅参考文献。甚至更好地看出用于> 10 GHz应用程序的过滤器，例如5G或77 GHz汽车雷达。

您对经典模拟过滤器的看法是什么？你爱他们，但准备离开他们吗？他们让你蠕动，你想看到他们的注意力不足吗？或者是沿麦克斯韦方程线的关键建筑块，其中每个EE需要得到良好的，超越只是众所周知？或者也许你的观点是更加愤世嫉俗的，你认为过滤分析真的是一个资格考试，了解学生是否真的适合模拟设计世界？