對於大多數的電路和系統來說,使用電感器、電容器和電阻器的類比濾波器至關重要。無論是被動還是主動設計,透過具有高難度數學的理論結構、實際的「應用說明」(application note)設計與物料清單(BOM),以及甚至是具有實體建構細節的實作電路等途徑,有時候似乎將其研究至「超越無限」的境地。

這並不難理解,因為無論是哪一個應用領域,濾波器都在訊號路徑中扮演多種重要角色。無論是低通、高通、帶通還是陷波濾波器,即使無法為訊號帶來什麼價值,他們都還是必要的,因為濾波器有助於提高訊號雜訊比(SNR)、減少來自鄰近通道的干擾,以及衰減50/60Hz的拾音等。

儘管如此,經典的濾波器理論是一個可以引發學生和工程師好奇心的主題,因為它們包括各種令人驚艷以及極其枯燥的不同版本,同時還有許多不同的拓撲結構,例如pi-filter (如圖1)、Chebyshev、Sallen-Key、Butterworth、Cauer (橢圓)以及高斯(Gaussian)等等。而其屬性也各不相同,包括一階、二階、滾降(roll-off)、通帶紋波、阻帶紋波、相位性能、平衡(差分)等等,可說是「族繁不及備載」。

20190412_Filter_P1

圖1:Pi Filter(來源:Quora)

20190412_Filter_P2

圖2:Rose-Hulman Sallen-Key Filter

(當然,這些都只是經典的全類比濾波器。除此之外,還有準類比開關電容濾波器,可在多個電容器之間使用電荷均衡和時脈切換以實現濾波器功能。這些都為濾波器帶來更多的價值,因為它們與IC製程相容,在許多情況下都不必再使用分離式元件濾波器。)

經典類比濾波器可用於數百MHz至GHz範圍。然而,這些集總元件(lumped-element)濾波器越來越難設計以及製造用於更高頻率。寄生效應以及元件容差和漂移為其帶來真正的挑戰,而且這些濾波器通常需要個別修整,以抵消其難以建模的現實。

因此,如果少了分離式元件濾波器的其他替代方案,考慮到尺寸、性能、一致性和成本等,在我們週遭的許多裝置可能都會變得不切實際。這些產品顯然非常實用,主要就是因為採用了完全不同的類比濾波器途徑:表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)濾波器(以及薄膜體聲波諧振器——FBAR)。SAW和BAW技術已在過去幾十年來發展地相當成熟了,可以創造完全不同於獨立式元件類比濾波器的低成本、高性能元件。

他們利用眾所周知的多功能壓電效應,將電能轉換為沿表面(SAW)或在工程陶瓷晶體材料(BAW)內傳播的聲波。SAW元件可在大約1 GHz的頻率下運作,而BAW元件可在1 GHz以下到multi-GHz的覆蓋範圍內重疊。這兩種元件的共同點之一在於都不需要研究經典的集總元件類比濾波器設計理論和實踐。

20190412_Filter_P3

圖3:基本SAW濾波器(SAW、BAW以及圖1的未來無線版本)

20190412_Filter_P4

圖4:SAW、BAW以及圖2的未來無線版本

然而,現實情況是經典的類比濾波器在當今大部份設計活動中的重要性越來越小了,但學校仍然在詳細地教授這方面的課程。我最近針對十幾所大學提供的大學部電子工程(EE)課程進行了一項調查,我發現除了兩所大學之外,其他的大學都開設了經典過濾器設計的課程(但不清楚是必修還是選修課程)。只有兩所大學開設SAW和BAW課程。

這是因為學校教師覺得經典設計仍有其必要性嗎?還是因為他們教起來很輕鬆?或者因為有太多輔助資料可用於輕鬆地支援這門課?我跟你一樣毫無頭緒。

我認為經典的類比濾波器理論現在應該被當作一門概論/調查課程來教授:介紹濾波器的用途是什麼、為什麼需要、有哪些不同類型與關鍵特性,以及用於量化其性能的參數——而且以最小的數學含量。那些最終需要瞭解更多(或者由於某種原因而喜歡這個話題的人),都可以很容易地找到它。讓他們更能夠專注於現在和未來的濾波器,包括SAW、BAW、諧振結構,以及甚至是用於微波的波導濾波器(沒錯,仍然廣泛使用)。更棒的是瞭解用於低於10 GHz應用的濾波器,如5G或77 GHz汽車雷達等。

您對經典的類比濾波器有何看法?你很喜歡但準備好放手了嗎?它們是否會讓你感到不安,因而希望看到它們變得不那麼受關注?或者它們是類似於Maxwell方程式的關鍵建構模組,每位電子工程師都必須精通而不只是熟悉而已?又或許你的觀點更悲觀,覺得濾波器分析就像是用來測試學生是否真的適合類比設計世界?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Is It Time to Cut Back on Study of Classic Analog Filters?,by Bill Schweber)