第4章-濾波幻燈片資料

第4章濾波

4.0濾波器的作用與分類4.1濾波器的特性4.2反射式濾波器4.3吸收式濾波器4.4電磁干擾濾波器4.5電源線濾波器4.6元件非理想特性的影響4.0濾波器的作用與分類屏蔽體可以阻斷電磁波的傳播，濾波器用來干什么？屏蔽體中的穿透部分濾波器的作用信號(hào)濾波器電源濾波器切斷干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。滿足抗擾度及設(shè)備輻射發(fā)射要求信號(hào)線濾波器干擾源

對(duì)于電路中傳播的電磁騷擾，需要采用濾波技術(shù)加以抑制。

濾波有多種分類方法：(2)按照濾波器在電路中的位置和作用：信號(hào)濾波、電源濾波、EMI濾波、電源去耦濾波和諧波濾波。

(3)按照電路中是否包含有源器件：無(wú)源濾波和有源濾波。(4)按照頻率特性：高通、低通、帶通、帶阻濾波(1)按照濾波器的能量損耗特性：反射濾波器和吸收濾波器等。干擾濾波器的種類衰減衰減衰減衰減低通帶通高通帶阻3dB截止頻率4.1濾波器的特性

濾波器的技術(shù)指標(biāo)包括插入損耗、頻率特性、阻抗特性、額定電壓、額定電流、外形尺寸、工作環(huán)境、可靠性等。1．插入損耗（InsertionLosses）

插入損耗隨頻率變化的曲線就是濾波器的頻率特性曲線。在高頻段插入損耗大的是低通濾波器，在低頻段插入損耗大的是高通濾波器。2．頻率特性濾波器的插入損耗隨頻率的變化即為頻率特性。頻率特性可用中心頻率、截止頻率、最低使用頻率和最高使用頻率等參數(shù)描述。3．

阻抗特性濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。在使用EMI濾波器時(shí)，應(yīng)保證在輸入、輸出最大限度失配的情況下，有合乎要求的最佳抑制效果。4．

額定電壓濾波器工作時(shí)允許的最高電壓。

5．

額定電流濾波器工作時(shí)，不降低插入損耗性能的最大使用電流。

4.2反射式濾波器反射式濾波器又稱無(wú)損濾波器，其工作原理是在電磁信號(hào)傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，使大部分電磁能量反射回信號(hào)源處。反射式濾波器采用電感L、電容C儲(chǔ)能元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。有很好的頻率選擇特性，但容易產(chǎn)生諧振。根據(jù)頻率特性分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器，低通濾波器是電磁兼容中最常用的濾波器。

低通濾波器的基本電路形式

電容的作用是通過并聯(lián)一個(gè)低阻抗的通路，使騷擾電流分流，從而減小負(fù)載中的騷擾電流；

電感的作用是通過串聯(lián)一個(gè)高阻抗，阻斷騷擾信號(hào)的流通，從而減小負(fù)載上的騷擾電壓。

電感：Z=ω

L電容:Z=1/ωC衰減低通3dB截止頻率低通濾波器的頻率特性當(dāng)濾波器的頻率特性不能滿足要求時(shí)，可以采取多個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)的方法。低通濾波器中所含濾波器個(gè)數(shù)稱為濾波器的階數(shù)過渡帶階數(shù)與插入損耗的關(guān)系20406080100

fc10fc100fc1000fc

5階

4階

3階

2階

1階20N/十倍頻程6N/倍頻程插入損耗dB確定濾波器階數(shù)50100欲衰減20dB46=2420至少4階濾波器10100120=201階濾波器就可以了為了保險(xiǎn)，可用2階欲衰減20dBL、C的數(shù)值決定截止頻率階數(shù)決定過渡帶的陡度高通濾波器高通濾波器抑制低頻干擾信號(hào)。由于高通濾波器與低通濾波器具有對(duì)偶性，設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)可采用倒轉(zhuǎn)方法，凡滿足倒轉(zhuǎn)原則的低通濾波器可以很方便地變成所需要的高通濾波器。倒轉(zhuǎn)原則就是將低通濾波器的每一個(gè)電感器換成一個(gè)電容器，而每一個(gè)電容器換成一個(gè)電感器。衰減高通高通濾波器類型L反

H低通高通電感：Z=2fL電容:Z=1/2fC低通高通例：求該電路的插入損耗。

U、f4.3吸收式濾波器吸收式濾波器又稱有損濾波器，它采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號(hào)的能量消耗在濾波器中，以達(dá)到抑制干擾的目的。吸收式濾波可避免反射式濾波因寄生參數(shù)效應(yīng)或阻抗不匹配引起的諧振，但其頻率選擇性較差。吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料，將導(dǎo)線穿過或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場(chǎng)渦流損耗阻斷騷擾信號(hào)的傳播。

1．鐵氧體磁心

鐵氧體磁心具有很好的高頻騷擾抑制能力，被制成各種形狀及大小，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。用鐵氧體材料制成環(huán)狀磁心，與從中穿過的導(dǎo)線構(gòu)成有損電感，可起到濾除高頻電磁騷擾的作用。

共模和差模干擾電流~~共模扼流圈共模扼流圈中的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵銷，因此磁芯不會(huì)飽和。共模電流電感很大。

使用鐵氧體磁心時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)根據(jù)騷擾信號(hào)的頻率范圍，選擇不同的磁心材料，如錳鋅適于低頻干擾，鎳鋅適于高頻干擾；(2)對(duì)不同場(chǎng)合，選擇不同形狀的磁心材料，如珠形、環(huán)形、多孔形、扁平夾條形、表面貼裝型等，且磁心尺寸要與導(dǎo)線直徑相配合；

Why?(3)磁心在電路中的阻抗與所繞導(dǎo)線匝數(shù)有關(guān)，匝數(shù)多則阻抗大，但容易飽和，且線間分布電容大，對(duì)高頻特性不利；(4)當(dāng)用于電源線差模濾波時(shí)，由于其工作電流較大，磁心容易飽和，因此，必須增大磁心截面及選擇具有高飽和值的材料，或在兩個(gè)半環(huán)之間留有一定間氣隙。頻率特性2．抗干擾電纜抗干擾電纜是將鐵氧體材料填充在同軸電纜的內(nèi)、外導(dǎo)體之間構(gòu)成的有損同軸電纜，它具有很好的高頻衰減特性，可以起到較好的濾波效果。

用于抑制電磁騷擾在電路中傳播的濾波器統(tǒng)稱為電磁干擾濾波器（EMI濾波器），也有的稱為射頻干擾濾波器（RFI濾波器）。4.4電磁干擾濾波器

EMI濾波器通常是由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成的低通濾波器，其工作原理與常規(guī)濾波器相同，但有如下特點(diǎn)。

1、電磁騷擾的工作頻率范圍很寬，從幾十kHz到1GHz以上。2、一般電路中使用的濾波器所連接的電路的阻抗是一定的，而電磁干擾濾波器所連接的電路阻抗變化范圍很寬。電磁干擾濾波器采用低通濾波器的原因是：一種主要的電磁干擾源是數(shù)字脈沖電路，有豐富的高次諧波；高頻電磁波更容易被接收，對(duì)設(shè)備造成干擾的電磁場(chǎng)都是頻率較高的，它們?cè)陔娐分挟a(chǎn)生噪聲電壓、電流也是高頻的當(dāng)導(dǎo)線上有傳導(dǎo)電流時(shí)，電流的頻率越高，越容易產(chǎn)生輻射，導(dǎo)線或電纜之間由于存在雜散電容和電感，會(huì)產(chǎn)生相互的串?dāng)_。這種串?dāng)_與頻率有關(guān)，頻率越高，串?dāng)_起嚴(yán)重。4.4.1EMI濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)EMI濾波器不但要抑制經(jīng)兩根導(dǎo)線流通的騷擾信號(hào)（差模干擾），而且還要抑制經(jīng)任一根導(dǎo)線與地回路流通的騷擾信號(hào)（共模干擾）。差模干擾和共模干擾

EMI濾波器的基本電路

4.4.2EMI濾波器的阻抗匹配問題

濾波器輸入端的騷擾源阻抗ZS和輸出端的負(fù)載阻抗ZL往往不能滿足阻抗匹配條件。為改善阻抗不匹配情況下的濾波效果，應(yīng)跟據(jù)不同情況采用不同結(jié)構(gòu)的濾波器。一般原則是源、負(fù)載的低阻抗與串聯(lián)電感相配合，高阻抗與并聯(lián)電容相配合。機(jī)理：當(dāng)源、負(fù)載阻抗低時(shí)通過串聯(lián)電感（高阻抗）可阻斷騷擾信號(hào)的傳輸；當(dāng)源、負(fù)載阻抗高時(shí)，串聯(lián)電感（高阻抗）的阻斷作用較小，而采用并聯(lián)電容（低阻抗）可給騷擾信號(hào)提供一個(gè)低阻抗的分流通路，從而抑制騷擾信號(hào)的傳播。

抑制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射或提高對(duì)電網(wǎng)中騷擾的抗擾度。4.5電源線濾波器除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗的匹配外，電源線濾波器的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容選值受到一定限制。串聯(lián)電感L值不能取得太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電源壓降，影響正常供電；接地的并聯(lián)電容值也不能取得太大，否則對(duì)地漏電流增加，可能會(huì)超出限值而影響人身安全或引起漏電保護(hù)。

為滿足上述要求，可使用共模扼流圈。安裝應(yīng)注意的問題：１．濾波器的安裝位置設(shè)備的入口/出口處２．濾波器輸入和輸出引線的隔離輸入與輸出分開３．濾波器的接地與設(shè)備外殼的大面積導(dǎo)電接觸

用濾波器解決屏蔽體上的穿透對(duì)屏蔽效果的影響

電纜線對(duì)高頻騷擾具有天線作用，通常是在電纜線端口處并聯(lián)電容濾波。4.6元件非理想特性的影響有時(shí)濾波效果并不好，源于濾波電路及元件并非是理想情況，存在各種寄生參數(shù)，影響了濾波效果。

PCB板上的電容作用PCB板上的電容作用旁路：主要作用是提高系統(tǒng)配電的質(zhì)量，降低在印制電路板上從元器件電源、地腳轉(zhuǎn)移出不想要的共模射頻能量。去耦：主要用來濾除高頻器件在PCB電源或芯片電源腳上引起的輻射電流，為器件提供一個(gè)局域化的直流通路，能減低印制電路中的電流沖激的峰值。儲(chǔ)能：數(shù)字電路傳遞0、1，當(dāng)數(shù)字電路邏輯門的狀態(tài)變化，電源線上有電流突變，使電源線的電感較大，從而會(huì)在電源線上產(chǎn)生壓降且產(chǎn)生輻射，儲(chǔ)能電容的作用是為芯片提供所需要的電流，將電流變化局限在較小的范圍內(nèi)，從而減小輻射。實(shí)際電容器的特性ZC實(shí)際電容理想電容f引線長(zhǎng)1.6mm的陶瓷電容器1/2LCCLCR理想電容實(shí)際電容1．元件的非理想特性實(shí)際電感器的特性ZL理想電感實(shí)際電感f繞在鐵粉芯上的電感1/2LCLCLR理想電感實(shí)際電感電感寄生電容的來源每圈之間的電容CTT導(dǎo)線與磁芯之間的電容CTC磁芯為導(dǎo)體時(shí)，CTC為主要因素，磁芯為非導(dǎo)體時(shí)，CTT為主要因素?？朔娙莘抢硐胄缘姆椒ù笕萘啃∪萘克p電容并聯(lián)區(qū)小電容大電容并聯(lián)電容頻率電感并聯(lián)區(qū)LC并聯(lián)區(qū)大容量小容量LC為改善電容器實(shí)際特性的影響，常將一個(gè)高頻性能好的小電容與一個(gè)大電容并聯(lián)使用。三端電容器的原理引線電感與電容一起構(gòu)成了一個(gè)T形低通濾波器在引線上安裝兩個(gè)磁珠濾波效果更好地線電感起著不良作用三端電容普通電容3070

1GHz206040三端電容的正確使用接地點(diǎn)要求：1干凈地2與機(jī)箱或其它較大的金屬件射頻搭接

三端電容器的不足寄生電容造成輸入端、輸出端耦合接地電感造成旁路效果下降穿心電容更勝一籌金屬板隔離輸入輸出端一周接地電感很小穿心電容的插入損耗插入損耗頻率1GHz普通電容理想電容穿心電容饋通濾波器是以穿心電容為基礎(chǔ)，結(jié)合電感構(gòu)成的濾波電路。饋通濾波器可安裝在屏蔽體表面，使導(dǎo)線經(jīng)饋通濾波器進(jìn)出屏蔽體；安裝在線路板上，用印制電路板的地線層做隔離層和接地層；安裝在電路之間的隔離板上。

線路板上使用饋通濾波器線路板地線面上面底面穿心電容、饋通濾波器以穿心電容為基礎(chǔ)的饋通濾波器廣泛應(yīng)用于RF濾波饋通濾波器使用注意事項(xiàng)必須安裝在金屬板上，并在一周接地最好焊接，焊接時(shí)間不能過長(zhǎng)，溫度應(yīng)該控制到不超過250℃上緊螺紋時(shí)扭矩不能過大穿心式濾波器的核心是盤狀多層或管狀陶瓷電容器。與其他陶瓷物品一樣，會(huì)受到溫度突

變、機(jī)械震動(dòng)和過高電壓而損壞。在安裝穿心式濾波器到板面上，焊接濾波器的導(dǎo)針以及整形

時(shí)必須小心將各類應(yīng)力減小到最小。

信號(hào)線濾波器信號(hào)線濾波器與電源線濾波器類似，都是低通濾波器，但有如下區(qū)別：信號(hào)電壓較低，不用考慮濾波電容的耐高壓?jiǎn)栴}；信號(hào)電流較小，不用特別考慮電感磁心的磁飽和問題；不同設(shè)備和接口的信號(hào)頻率不同，因此濾波的截止頻率不同通帶要足夠?qū)?，不能影響有用信?hào)的特性；信號(hào)線濾波器以共模濾波為主低通濾波器對(duì)脈沖信號(hào)的影響板上濾波器的注意事項(xiàng)濾波器要并排安裝線路板的干凈地與金屬機(jī)箱或大金屬板緊密搭接為濾波設(shè)置干凈地在接口處設(shè)置檔板濾波器靠近接口信號(hào)電纜濾波的方法屏蔽盒饋通濾波器連接器2．互感的影響為減小互感，可縮短電容引線長(zhǎng)度、改變電路走線、采用四引線電容、采用表面安裝電容等。并聯(lián)電容濾波時(shí)，高頻濾波效果比設(shè)想的差，是因?yàn)椴⒙?lián)電容兩側(cè)的回路之間存在互感。

大容量小容量3．電容回路的電感印制電路板上的