電源濾波器的設(shè)計(jì)

1、1 第第5章章 電磁干擾濾波器電磁干擾濾波器 劉劉 洋洋 應(yīng)用物理教研室應(yīng)用物理教研室 2 濾波器的特性濾波器的特性 濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種重要方法濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種重要方法 采用濾波器的目的是分離信號(hào)、抑制干擾。采用濾波器的目的是分離信號(hào)、抑制干擾。 濾波器是由集中參數(shù)或分布參數(shù)的電阻、濾波器是由集中參數(shù)或分布參數(shù)的電阻、 電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。 3 電磁兼容濾波器設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)工程中的一電磁兼容濾波器設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)工程中的一 個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。有時(shí)候設(shè)計(jì)的濾波器性能如個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。有時(shí)候設(shè)計(jì)的濾波器性能如 何會(huì)決定整個(gè)電器設(shè)備是否能夠正常工

2、作。但因何會(huì)決定整個(gè)電器設(shè)備是否能夠正常工作。但因 為電磁兼容濾波器的為電磁兼容濾波器的設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)面非常廣設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)面非常廣， 設(shè)計(jì)出一個(gè)性能較好的濾波器并不是一件容易的設(shè)計(jì)出一個(gè)性能較好的濾波器并不是一件容易的 事情。事情。 5.1 干擾的分類干擾的分類 5.1.1 按噪聲產(chǎn)生的原因分類按噪聲產(chǎn)生的原因分類 l放電噪聲放電噪聲 主要是因?yàn)槔纂姟㈧o電、電動(dòng)機(jī)的電刷跳動(dòng)、大主要是因?yàn)槔纂?、靜電、電動(dòng)機(jī)的電刷跳動(dòng)、大 功率開關(guān)觸點(diǎn)斷開等放電產(chǎn)生的噪聲。功率開關(guān)觸點(diǎn)斷開等放電產(chǎn)生的噪聲。 4 l高頻振蕩噪聲高頻振蕩噪聲 主要是中頻電弧爐、感應(yīng)電爐、開關(guān)電源、直主要是中頻電弧爐、感應(yīng)電爐、開關(guān)

3、電源、直 流流交流變換器等產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)形成的噪聲。交流變換器等產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)形成的噪聲。 l浪涌噪聲浪涌噪聲 主要是交流系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電主要是交流系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電 流、開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通電流以及晶閘管變流器等流、開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通電流以及晶閘管變流器等 設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的噪聲。設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的噪聲。 這些干擾對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響，必須認(rèn)這些干擾對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響，必須認(rèn) 真對(duì)待，而其中尤以真對(duì)待，而其中尤以各類開關(guān)通、斷電各類開關(guān)通、斷電時(shí)所產(chǎn)生時(shí)所產(chǎn)生 的干擾最難以抑制或消除。的干擾最難以抑制或消除。 5 5.1.2 按噪聲傳導(dǎo)模式分類按噪聲傳導(dǎo)

4、模式分類 對(duì)于傳導(dǎo)噪聲，按其傳導(dǎo)模式分為對(duì)于傳導(dǎo)噪聲，按其傳導(dǎo)模式分為差模噪聲和共差模噪聲和共 模噪聲。模噪聲。 l差模噪聲差模噪聲 又稱線間感應(yīng)噪聲或又稱線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲對(duì)稱噪聲。有些書中也稱其。有些書中也稱其 為串模噪聲或常模噪聲、橫向噪聲等。如下圖所為串模噪聲或常模噪聲、橫向噪聲等。如下圖所 示，噪聲往返于兩條線路間，示，噪聲往返于兩條線路間，N為噪聲源，為噪聲源，R為受為受 擾設(shè)備，擾設(shè)備，UN為噪聲電壓，噪聲電流為噪聲電壓，噪聲電流IN和信號(hào)電流和信號(hào)電流 IS的路徑在往返兩條線上是一致的。的路徑在往返兩條線上是一致的。 6 差模干擾電流是由差模干擾電流是由外界電磁場(chǎng)在信號(hào)線和

5、信號(hào)地外界電磁場(chǎng)在信號(hào)線和信號(hào)地 線構(gòu)成的回路中感應(yīng)出的線構(gòu)成的回路中感應(yīng)出的。由于電纜中的信號(hào)線。由于電纜中的信號(hào)線 與其地線靠得很近，因此形成的環(huán)路面積很小，與其地線靠得很近，因此形成的環(huán)路面積很小， 所以外界電磁場(chǎng)感應(yīng)的差模電流一般不會(huì)很大。所以外界電磁場(chǎng)感應(yīng)的差模電流一般不會(huì)很大。 在電源線中，差模干擾電流往往是由電網(wǎng)上其他在電源線中，差模干擾電流往往是由電網(wǎng)上其他 電器的電源發(fā)射出的電器的電源發(fā)射出的(特別是開關(guān)電源特別是開關(guān)電源)和感性負(fù)和感性負(fù) 7 載通斷時(shí)產(chǎn)生的載通斷時(shí)產(chǎn)生的(其幅度往往很大其幅度往往很大)。差模干擾電。差模干擾電 流都會(huì)直接影響設(shè)備的工作，并且，這種噪聲難流都

6、會(huì)直接影響設(shè)備的工作，并且，這種噪聲難 以除掉。以除掉。 l共模噪聲共模噪聲 又叫地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或又叫地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對(duì)稱噪聲不對(duì)稱噪聲。如下。如下 圖所示，噪聲侵入線路和地線間。噪聲電流在兩圖所示，噪聲侵入線路和地線間。噪聲電流在兩 條線上各流過一部分，條線上各流過一部分，以地為公共回路以地為公共回路，而信號(hào)，而信號(hào) 電流只在往返兩條線路中流過。形成這種干擾電電流只在往返兩條線路中流過。形成這種干擾電 流的原因有流的原因有3個(gè)，一個(gè)是外界電磁場(chǎng)在電纜中的個(gè)，一個(gè)是外界電磁場(chǎng)在電纜中的 所有導(dǎo)線上所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來電壓感應(yīng)出來電壓(這個(gè)電壓相對(duì)于大地是這個(gè)電壓相對(duì)于大地是 等幅同

7、相的等幅同相的)，這個(gè)電壓產(chǎn)生電流；另一個(gè)原因是，這個(gè)電壓產(chǎn)生電流；另一個(gè)原因是 由于電纜兩端的設(shè)備所接的由于電纜兩端的設(shè)備所接的地電位地電位不同所致，不同所致， 8 在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流；第三個(gè)原因是在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流；第三個(gè)原因是 設(shè)備上的設(shè)備上的電纜與大地之間有電位差電纜與大地之間有電位差，這樣電纜上，這樣電纜上 會(huì)有共模電流。會(huì)有共模電流。 9 從定義容易理解：共模電流本身并不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)從定義容易理解：共模電流本身并不會(huì)對(duì)電路產(chǎn) 生影響，只有當(dāng)共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏魃绊?，只有?dāng)共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏?電壓電壓) 時(shí)，才會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，這種情況發(fā)生在時(shí)，才會(huì)對(duì)電路產(chǎn)

8、生影響，這種情況發(fā)生在電路電路 不平衡不平衡的情況下。的情況下。 另外，如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，則電另外，如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，則電 纜會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，造成設(shè)備不能滿足電纜會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，造成設(shè)備不能滿足電 磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌偶嫒輼?biāo)準(zhǔn)中對(duì)輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌?設(shè)備造成干擾。設(shè)備造成干擾。 l共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲 從本質(zhì)上講，共模噪聲是可以除掉的。但是由于從本質(zhì)上講，共模噪聲是可以除掉的。但是由于 線路的不平衡狀態(tài)線路的不平衡狀態(tài)，共模噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化成差模噪聲。，共模噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化成差模噪聲。 可用下圖來說明共模噪聲

9、轉(zhuǎn)化成差模噪聲的原理。可用下圖來說明共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲的原理。 10 在上圖中，在上圖中，N為噪聲源，為噪聲源，L為負(fù)載，為負(fù)載，Z1和和Z2是導(dǎo)線是導(dǎo)線1 和導(dǎo)線和導(dǎo)線2的對(duì)地阻抗。如果的對(duì)地阻抗。如果Z1 = Z2，則噪聲電壓，則噪聲電壓 11 VN1和噪聲電壓和噪聲電壓VN2相等，從而噪聲電流相等，從而噪聲電流IN1 和和IN2相相 等，即噪聲電流不流過負(fù)載。然而當(dāng)?shù)?，即噪聲電流不流過負(fù)載。然而當(dāng)Z1 Z2 時(shí)，時(shí)， 則則VN1 VN2，從而，從而IN1IN2，于是，于是VN1 - VN2= VN， VN /ZLIN (ZL為負(fù)載阻抗為負(fù)載阻抗)，這是常模噪聲。，這是常模噪聲。 因此

10、，當(dāng)發(fā)現(xiàn)常模噪聲時(shí)，首先考慮它是否由于因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)常模噪聲時(shí)，首先考慮它是否由于 線路不平衡狀態(tài)而從共模噪聲轉(zhuǎn)化來的。通常，線路不平衡狀態(tài)而從共模噪聲轉(zhuǎn)化來的。通常， 輸入輸出線與大地或機(jī)殼之間發(fā)生的噪聲都是共輸入輸出線與大地或機(jī)殼之間發(fā)生的噪聲都是共 模噪聲模噪聲，信號(hào)線受到靜電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也多，信號(hào)線受到靜電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也多 為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法很多，如為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法很多，如屏蔽、屏蔽、 接地和隔離等接地和隔離等?？垢蓴_技術(shù)在很多方面都是圍繞?？垢蓴_技術(shù)在很多方面都是圍繞 共模噪聲來研究其有效的抑制措施。共模噪聲來研究其有效的抑制措施。 12 5.1.3

11、按噪聲波形及性質(zhì)分類按噪聲波形及性質(zhì)分類 l持續(xù)正弦波持續(xù)正弦波 持續(xù)正弦波多以頻率、幅值等特征值表示，是一持續(xù)正弦波多以頻率、幅值等特征值表示，是一 種典型的周期噪聲。最常見的該類噪聲就是種典型的周期噪聲。最常見的該類噪聲就是50Hz 的工頻噪聲。這種噪聲出現(xiàn)在直流電源上表現(xiàn)為的工頻噪聲。這種噪聲出現(xiàn)在直流電源上表現(xiàn)為 紋波紋波，出現(xiàn)在聲音信號(hào)中，表現(xiàn)為惹人煩的，出現(xiàn)在聲音信號(hào)中，表現(xiàn)為惹人煩的交流交流 聲聲，出現(xiàn)在視頻影像信號(hào)中，為，出現(xiàn)在視頻影像信號(hào)中，為橫條干擾橫條干擾。 l偶發(fā)脈沖電壓波形偶發(fā)脈沖電壓波形 這種噪聲多以最高幅值、前沿上升陡度、脈沖寬這種噪聲多以最高幅值、前沿上升陡度、

12、脈沖寬 度以及能量等特征值表示。例如雷擊波、接點(diǎn)分度以及能量等特征值表示。例如雷擊波、接點(diǎn)分 斷電壓負(fù)載和靜電放電等波形。該類噪聲周期性斷電壓負(fù)載和靜電放電等波形。該類噪聲周期性 不明顯，不明顯，在通信信號(hào)中，容易引起突發(fā)誤碼在通信信號(hào)中，容易引起突發(fā)誤碼。 13 l脈沖列脈沖列 脈沖列脈沖列多以最高幅值、前沿上升陡度、單個(gè)脈沖多以最高幅值、前沿上升陡度、單個(gè)脈沖 寬度、脈沖序列持續(xù)時(shí)間等特征值表示，如接點(diǎn)寬度、脈沖序列持續(xù)時(shí)間等特征值表示，如接點(diǎn) 分?jǐn)嚯姼胸?fù)載和接電反復(fù)重燃過電壓等。該類噪分?jǐn)嚯姼胸?fù)載和接電反復(fù)重燃過電壓等。該類噪 聲呈現(xiàn)一定的周期性，能量較大，一般較難消除。聲呈現(xiàn)一定的周期

13、性，能量較大，一般較難消除。 噪聲中的主要能量是由干擾引起的。噪聲中的主要能量是由干擾引起的。 消除有用信號(hào)中的噪聲，從根本上來說，就是要消除有用信號(hào)中的噪聲，從根本上來說，就是要 消除或降低干擾對(duì)電路的影響。我們可以針對(duì)不消除或降低干擾對(duì)電路的影響。我們可以針對(duì)不 同的噪聲類型，設(shè)計(jì)或選用不同的同的噪聲類型，設(shè)計(jì)或選用不同的防干擾濾波器防干擾濾波器。 14 15 5.2 電磁干擾濾波器電磁干擾濾波器 5.2.1 電磁干擾濾波器的電磁干擾濾波器的工作原理工作原理 電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣，電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣， 它能它能允許有用信號(hào)的頻率分量通過允許有用信號(hào)

14、的頻率分量通過，同時(shí)又，同時(shí)又阻止阻止 其他干擾頻率分量通過其他干擾頻率分量通過。其方式有兩種：一種是。其方式有兩種：一種是 不讓無用信號(hào)通過，并把它們不讓無用信號(hào)通過，并把它們反射反射回信號(hào)源；另回信號(hào)源；另 一種是把無用信號(hào)在濾波器里一種是把無用信號(hào)在濾波器里消耗消耗掉。掉。 5.2.2 電磁干擾濾波器的特殊性電磁干擾濾波器的特殊性 由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號(hào)的通由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號(hào)的通 過，所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。過，所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。 (1) 電磁干擾濾波器應(yīng)該有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、安電磁干擾濾波器應(yīng)該有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、安 裝方便、工作可

15、靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 16 (2) 電磁干擾濾波器對(duì)電磁干擾抑制的同時(shí)，能電磁干擾濾波器對(duì)電磁干擾抑制的同時(shí)，能 在大電流和電壓下長(zhǎng)期工作，對(duì)有用信號(hào)消耗要在大電流和電壓下長(zhǎng)期工作，對(duì)有用信號(hào)消耗要 小，以保證小，以保證最大傳輸效率最大傳輸效率。 (3) 由于電磁干擾的頻率是由于電磁干擾的頻率是20Hz到幾十到幾十GHz，故，故 難以用難以用集總參數(shù)等效電路集總參數(shù)等效電路來模擬濾波電路。來模擬濾波電路。 (4) 要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比 較高的較高的衰減性能衰減性能。 (5

16、) 干擾源的電平變化幅度大，有可能使電磁干干擾源的電平變化幅度大，有可能使電磁干 擾濾波器出現(xiàn)擾濾波器出現(xiàn)飽和效應(yīng)飽和效應(yīng)。 (6) 電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范 圍大，很難得到使用穩(wěn)定的恒定值，所以電磁干圍大，很難得到使用穩(wěn)定的恒定值，所以電磁干 擾濾波器很難工作在擾濾波器很難工作在阻抗匹配阻抗匹配的條件下。的條件下。 17 5.2.3 濾波器的主要特性濾波器的主要特性 濾波器最主要的特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、濾波器最主要的特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、 頻率特性、輸入輸出阻抗、插入損耗以及傳輸頻頻率特性、輸入輸出阻抗、插入損耗以及傳輸頻

17、率特性等。率特性等。 p額定電壓額定電壓 指輸入濾波器的最高允許電壓值。若輸入濾波器指輸入濾波器的最高允許電壓值。若輸入濾波器 的電壓過高，會(huì)使內(nèi)部電容損壞。的電壓過高，會(huì)使內(nèi)部電容損壞。 p額定電流額定電流 指在額定電壓和規(guī)定環(huán)境溫度條件下，濾波器所指在額定電壓和規(guī)定環(huán)境溫度條件下，濾波器所 允許的最大連續(xù)工作電流。一般使用溫度越高其允許的最大連續(xù)工作電流。一般使用溫度越高其 允許的工作電流越小。同時(shí)，工作電流還與頻率允許的工作電流越小。同時(shí)，工作電流還與頻率 有關(guān)：工作頻率越高，其允許電流越小。有關(guān)：工作頻率越高，其允許電流越小。 18 p頻率特性頻率特性 濾波器的頻率特性是描述其抑制干擾

18、能力的參數(shù)，濾波器的頻率特性是描述其抑制干擾能力的參數(shù)， 通常用中心頻率、截止頻率以及上升和下降斜率通常用中心頻率、截止頻率以及上升和下降斜率 表示。表示。 p輸入輸出阻抗輸入輸出阻抗 從信號(hào)源到濾波器輸入的阻抗稱為輸入阻抗，濾從信號(hào)源到濾波器輸入的阻抗稱為輸入阻抗，濾 波器輸出到接收電路的阻抗稱為輸出阻抗。選擇波器輸出到接收電路的阻抗稱為輸出阻抗。選擇 濾波器需要考慮阻抗匹配，以防止信號(hào)衰減。濾波器需要考慮阻抗匹配，以防止信號(hào)衰減。 p插入損耗插入損耗 描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗，插入描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗，插入 損耗的大小隨工作頻率不同而改變。插入損耗的損耗的大小隨

19、工作頻率不同而改變。插入損耗的 定義是定義是: 19 式中：式中：V1-信號(hào)源通過濾波器在負(fù)載阻抗上信號(hào)源通過濾波器在負(fù)載阻抗上 建立的電壓建立的電壓(V)； V2-不接濾波器時(shí)信號(hào)源在同一負(fù)載不接濾波器時(shí)信號(hào)源在同一負(fù)載 阻抗上建立的電壓阻抗上建立的電壓(V)； Lin-插入損耗插入損耗(dB)。 2 1 lg20 V V Lin 20 p傳輸頻率特性傳輸頻率特性 濾波器最重要的是其濾波器最重要的是其傳輸頻率特性傳輸頻率特性，可用對(duì)數(shù)幅，可用對(duì)數(shù)幅 頻特性頻特性20lgA來表示。在抗干擾技術(shù)中又稱為衰來表示。在抗干擾技術(shù)中又稱為衰 減系數(shù)，即減系數(shù)，即: 衰減系數(shù)衰減系數(shù)= (單位單位dB)

20、 式中：式中： 濾波器的輸出信號(hào)，濾波器的輸出信號(hào)， 濾波器的輸入信號(hào)，濾波器的輸入信號(hào)， 信號(hào)的角頻率。信號(hào)的角頻率。 )( )( lg20 jU jU i o o U i U 21 5.2.4 濾波器的分類濾波器的分類 l按濾波器的作用對(duì)象分類按濾波器的作用對(duì)象分類 根據(jù)濾波器的作用對(duì)象可以分為根據(jù)濾波器的作用對(duì)象可以分為電源濾波器電源濾波器和和信信 號(hào)濾波器。號(hào)濾波器。 22 濾波器的分類濾波器的分類 u按濾波器對(duì)按濾波器對(duì)頻率的選擇性頻率的選擇性能來分類，則可分為低能來分類，則可分為低 通、高通、帶通和帶阻四種濾波器通、高通、帶通和帶阻四種濾波器. u按按頻帶頻帶來分，濾波器分為低頻、

21、高頻、甚高頻、來分，濾波器分為低頻、高頻、甚高頻、 超高頻和微波濾波器超高頻和微波濾波器. u按網(wǎng)絡(luò)中是否按網(wǎng)絡(luò)中是否含有電源含有電源來分，濾波器分為有源和來分，濾波器分為有源和 無源濾波器。無源濾波器。 u按組成濾波器的按組成濾波器的元件特征元件特征來分，濾波器分為來分，濾波器分為 LC 濾波器，晶體濾波器，機(jī)械濾波器，陶瓷濾波器，濾波器，晶體濾波器，機(jī)械濾波器，陶瓷濾波器， 螺旋濾波器等。螺旋濾波器等。 u按濾波器的按濾波器的功能功能來分，濾波器分為反射濾波器和來分，濾波器分為反射濾波器和 損耗濾波器兩類。損耗濾波器兩類。 23 24 l按照對(duì)不需要的信號(hào)能量的抑制方式分類按照對(duì)不需要的信

22、號(hào)能量的抑制方式分類 按照對(duì)不需要的信號(hào)能量的抑制方式分類又可分按照對(duì)不需要的信號(hào)能量的抑制方式分類又可分 為為反射式濾波器和吸收式濾波器反射式濾波器和吸收式濾波器。 5.2.5 反射式濾波器反射式濾波器 l帶阻濾波器帶阻濾波器 帶阻濾波器是指用于對(duì)特定窄頻帶帶阻濾波器是指用于對(duì)特定窄頻帶(在此頻帶內(nèi)可在此頻帶內(nèi)可 能產(chǎn)生電磁干擾能產(chǎn)生電磁干擾)內(nèi)的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。內(nèi)的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。 其頻率特性如下圖所示，其中其頻率特性如下圖所示，其中C1和和C2為截止頻為截止頻 率。帶阻濾波器是用作串聯(lián)在負(fù)載和干擾源之間率。帶阻濾波器是用作串聯(lián)在負(fù)載和干擾源之間 的抑制器件。的抑制器件

23、。 25 26 l帶通濾波器帶通濾波器 帶通濾波器正好和帶阻濾波器相反，它是指作用帶通濾波器正好和帶阻濾波器相反，它是指作用 于對(duì)特定窄頻帶外的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。于對(duì)特定窄頻帶外的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。 帶通濾波器是并接于干擾線和地之間，以消除電帶通濾波器是并接于干擾線和地之間，以消除電 磁干擾信號(hào)，達(dá)到兼容的目的。其頻率特性如下磁干擾信號(hào)，達(dá)到兼容的目的。其頻率特性如下 圖所示，其中圖所示，其中C1和和C2為截止頻率。為截止頻率。 它用在信號(hào)頻率僅占較窄帶寬的場(chǎng)合，如通信接它用在信號(hào)頻率僅占較窄帶寬的場(chǎng)合，如通信接 收機(jī)的天線端口上要安裝帶通濾波器，僅允許通收機(jī)的天線端口上要安裝

24、帶通濾波器，僅允許通 信信號(hào)通過。信信號(hào)通過。 27 28 l高通濾波器高通濾波器 在降低電磁干擾上，高通濾波器雖不如低通濾波在降低電磁干擾上，高通濾波器雖不如低通濾波 器應(yīng)用廣泛，但也有用途。特別是這種濾波器一器應(yīng)用廣泛，但也有用途。特別是這種濾波器一 直被用于從信號(hào)通道上濾除交流電流頻率或抑制直被用于從信號(hào)通道上濾除交流電流頻率或抑制 特定的低頻外界信號(hào)。設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，均采特定的低頻外界信號(hào)。設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，均采 用倒轉(zhuǎn)方法，凡滿足倒轉(zhuǎn)原則的低通濾波器可以用倒轉(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)原則就很方便地變成所需要的高通濾波器。倒轉(zhuǎn)原則就

25、是將低通濾波器的每一個(gè)線圈換成一個(gè)電容器，是將低通濾波器的每一個(gè)線圈換成一個(gè)電容器， 而每一個(gè)電容器換成一個(gè)線圈，就可變成高通濾而每一個(gè)電容器換成一個(gè)線圈，就可變成高通濾 波器。波器。 高通濾波器用在干擾頻率比信號(hào)頻率低高通濾波器用在干擾頻率比信號(hào)頻率低 的場(chǎng)合，如在一些靠近電源線的敏感信號(hào)線上濾的場(chǎng)合，如在一些靠近電源線的敏感信號(hào)線上濾 除電源諧波造成的干擾。它的頻率特性如下圖所除電源諧波造成的干擾。它的頻率特性如下圖所 示，其中示，其中C為截止頻率。為截止頻率。 29 30 l低通濾波器低通濾波器 ：它是最常用的一種電磁兼它是最常用的一種電磁兼 容濾波器，主要用在干擾信號(hào)頻率比工作容濾波器

26、，主要用在干擾信號(hào)頻率比工作 信號(hào)頻率高的場(chǎng)合。電源線濾波器也是低信號(hào)頻率高的場(chǎng)合。電源線濾波器也是低 通濾波器，它僅允許通濾波器，它僅允許50Hz的電流通過，對(duì)的電流通過，對(duì) 其他高頻干擾信號(hào)有很大的衰減。低通濾其他高頻干擾信號(hào)有很大的衰減。低通濾 波器的頻率特性如下圖所示，其中波器的頻率特性如下圖所示，其中C為截為截 止頻率。止頻率。 31 32 5.2.6 低通濾波器的分類低通濾波器的分類 常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的， 電容并聯(lián)在濾波器的信號(hào)線與信號(hào)地線之間電容并聯(lián)在濾波器的信號(hào)線與信號(hào)地線之間(濾除濾除 差模干擾電流差模干擾電流)

27、或信號(hào)線與機(jī)殼地或大地之間或信號(hào)線與機(jī)殼地或大地之間(濾濾 除共模干擾電流除共模干擾電流)，電感串聯(lián)在要濾波的信號(hào)線上。，電感串聯(lián)在要濾波的信號(hào)線上。 按照電路結(jié)構(gòu)分，有單電容型按照電路結(jié)構(gòu)分，有單電容型(C型型)、單電感型、單電感型(L 型型)、型和反型和反型、型、T型和型和型。不同結(jié)構(gòu)的濾波型。不同結(jié)構(gòu)的濾波 電路主要有兩點(diǎn)不同：電路主要有兩點(diǎn)不同： (1) 電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰 減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。 33 34 35 (2) 不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和不同結(jié)

28、構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和 負(fù)載阻抗。負(fù)載阻抗。 l電容濾波器電容濾波器 電容電容C的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電流的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電流 Ic(S)，輸出為電壓，輸出為電壓 如下圖所示，則傳遞函數(shù)如下圖所示，則傳遞函數(shù) 為：為： 頻率特性為：頻率特性為： )( o SU CSSI SU SA 1 )( )( )( C o CjjI jU jA 1 )( )( )( C o 36 對(duì)數(shù)幅頻特性為：對(duì)數(shù)幅頻特性為： 顯然，隨著頻率顯然，隨著頻率 = 濾波器的輸出電壓衰濾波器的輸出電壓衰 減逐漸增加，起到了減逐漸增加，起到了 低通濾波效果。其輸?shù)屯V波效果。其輸 入輸出特性如下

29、圖入輸出特性如下圖(d) 所示。所示。 濾波器的電容要有濾波器的電容要有耐壓高、耐壓高、 絕緣好、溫度系數(shù)小和自絕緣好、溫度系數(shù)小和自 諧振頻率高等特性諧振頻率高等特性。 C C A lg20 1 lg20)(lg20 f2 37 下圖下圖(a)所示的濾波器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，接在干所示的濾波器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，接在干 擾源線間能衰減擾源線間能衰減串模噪聲串模噪聲；接在干擾源和；接在干擾源和 地線間能衰減地線間能衰減共模噪聲共模噪聲；接在印刷電路板；接在印刷電路板 中的直流電源線和地線間能抑制中的直流電源線和地線間能抑制電源噪聲電源噪聲。 38 下圖下圖(b)中電容中點(diǎn)接地，能夠把噪聲電流旁中電容中點(diǎn)接地，

30、能夠把噪聲電流旁 路入地，能消除路入地，能消除共模噪聲共模噪聲。 39 下圖下圖(c)中的中的C3接在電源線間，這種結(jié)構(gòu)能有接在電源線間，這種結(jié)構(gòu)能有 效地抑制共模效地抑制共模(由由C1、C2完成完成)和串模噪聲和串模噪聲 (由由C3完成完成)。 40 l電感濾波器電感濾波器 電感電感L的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電 流流 輸出為電壓輸出為電壓 ，且與電流變化率，且與電流變化率 方向相反，如下圖方向相反，如下圖(a)所示。所示。 則傳遞函數(shù)為則傳遞函數(shù)為 頻率特性為頻率特性為 對(duì)數(shù)幅頻特性為對(duì)數(shù)幅頻特性為 )( L SI)( L SU LS SI SU SA

31、)( )( )( L L Lj jI jU jA )( )( )( L L LAlg20)(lg20 41 顯然，隨著頻率顯然，隨著頻率 ，電感線圈兩端電壓，電感線圈兩端電壓 將增加。由于電感串聯(lián)在線路中，因此濾波器將增加。由于電感串聯(lián)在線路中，因此濾波器 的輸出的輸出 將衰減，起到了濾波的效果。電將衰減，起到了濾波的效果。電 感濾波器的輸入輸出特性如下圖感濾波器的輸入輸出特性如下圖(b)所示。所示。 f2 L U Lio UUU 42 共模扼流圈共模扼流圈 43 濾波器中的電感器件應(yīng)在負(fù)載電流情況下濾波器中的電感器件應(yīng)在負(fù)載電流情況下 具有不飽和、溫度系數(shù)小和直流電阻低等具有不飽和、溫度系數(shù)

32、小和直流電阻低等 性質(zhì)。性質(zhì)。為了避免負(fù)載電流使電感產(chǎn)生飽和為了避免負(fù)載電流使電感產(chǎn)生飽和， 可選用共模扼流圈或不易飽和的磁芯線圈?？蛇x用共模扼流圈或不易飽和的磁芯線圈。 電感線圈有兩種，即常模扼流圈和共模扼電感線圈有兩種，即常模扼流圈和共模扼 流圈。流圈。 44 l RC低通濾波器低通濾波器 低通濾波器接在電路中，按其結(jié)構(gòu)可分為低通濾波器接在電路中，按其結(jié)構(gòu)可分為L(zhǎng)形、形、 形和形和T形，如下圖所示。它具有形，如下圖所示。它具有濾去高頻，濾去高頻，而讓而讓 低頻信號(hào)容易通過低頻信號(hào)容易通過的性能。的性能。 l L形形RC低通濾波器低通濾波器 L形形RC低通濾波器如下圖低通濾波器如下圖(a)所

33、示。所示。 45 其傳遞函數(shù)為：其傳遞函數(shù)為： 其頻率特性為：其頻率特性為： 如果令如果令 則有則有 其中，其中， 稱為上限截止頻率。當(dāng)稱為上限截止頻率。當(dāng) 時(shí)，則大時(shí)，則大 SRC SC R SC SA 1 1 1 1 )( 1)( 1 )( 1 1 )( 2 RC A RCj jA ； RC f 2 1 h 2 1 ( ) 1 (/) h A ff h ff h f f h f 46 有衰減，即有衰減，即 每提高每提高10倍，倍， 將下降將下降20dB。 l形形RC低通濾波器低通濾波器 形形RC低通濾波器如下圖低通濾波器如下圖(b)所示。所示。 f)(A 47 其傳遞函數(shù)為：其傳遞函數(shù)為：

34、 由此可以看出，由此可以看出，形與形與L形有相同的衰減系數(shù)。實(shí)形有相同的衰減系數(shù)。實(shí) 際上，由于信號(hào)源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)際上，由于信號(hào)源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)形濾形濾 波器和信號(hào)源連接后，相當(dāng)于兩級(jí)波器和信號(hào)源連接后，相當(dāng)于兩級(jí)L形濾波器串形濾波器串 聯(lián)，對(duì)聯(lián)，對(duì)濾波特性濾波特性將有很大改善。將有很大改善。 lT形形RC低通濾波器低通濾波器 T形形RC低通濾波器結(jié)構(gòu)如下圖低通濾波器結(jié)構(gòu)如下圖(c)所示。所示。 1 1 )() 1 ( )( 1 )( )( )( i O SRC SI SC R SI SC SU SU SA 48 為了求其傳遞函數(shù)，可根據(jù)電工學(xué)中星形三角形為了求其傳遞函數(shù)，可根據(jù)

35、電工學(xué)中星形三角形 變換公式，如下圖所示，變換公式，如下圖所示， 49 圖(a)變換成圖(b)時(shí)，有： cba ac ca cba cb bc cba ba ab YYY YY Y YYY YY Y YYY YY Y * * * ； 50 根據(jù)上面公式，圖根據(jù)上面公式，圖(c)變換成圖變換成圖(d)時(shí)，有：時(shí)，有： 于是求得于是求得T形濾波器的傳遞函數(shù)為：形濾波器的傳遞函數(shù)為： SC RSC SCR SC RR Z SC RR SC R Y 2 * 1 11 11 * 1 33 ； )2(2 11 1 * 1 2 11 SRCRSCRRZ SC RR RR Y； 1 1 2 )2( 2 )()

36、( )(* )( )( )( 31 3 31 3 i o SRC SC RSRCR SC R ZZ Z SIZZ SIZ SU SU SA 51 由此可以看出，由此可以看出，T形形RC濾波器與濾波器與L形形RC濾波器有濾波器有 相同的濾波特性。實(shí)際上往往將相同的濾波特性。實(shí)際上往往將T形濾波器用于形濾波器用于 負(fù)載阻抗小的情況，這比應(yīng)用負(fù)載阻抗小的情況，這比應(yīng)用L形和形和形濾波器時(shí)形濾波器時(shí) 的的負(fù)載電流要小得多負(fù)載電流要小得多，減輕了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。，減輕了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。 上述上述3種形式的種形式的RC濾波器制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，濾波器制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜， 體積小，對(duì)外界的磁場(chǎng)變化敏感低，廣泛用

37、于體積小，對(duì)外界的磁場(chǎng)變化敏感低，廣泛用于信信 號(hào)傳輸線路號(hào)傳輸線路中的噪聲抑制。中的噪聲抑制。 52 lLC低通濾波器低通濾波器 對(duì)于下圖對(duì)于下圖 (a) 所示電路結(jié)構(gòu)，若設(shè)電感所示電路結(jié)構(gòu)，若設(shè)電感L的直流電的直流電 阻為阻為R， 則傳遞函數(shù)為：則傳遞函數(shù)為： 53 其頻率特性為：其頻率特性為： 幅頻特性為：幅頻特性為： 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( )( 2 i o SRCLCS SI SC RSL SI SC SU SU SA LCRCj jA 2 1 1 )( 222 )1 ()( 1 )( LCRC A 222 )1 ()(lg20)(lg20LCRCA 54 為

38、了便于和為了便于和RC低通濾波器相比較，設(shè)低通濾波器相比較，設(shè) 那么那么 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，則有時(shí)，則有 RC 1 LC 1 01)(lg20)(lg20 2 RCA LC 1 222 )()(lg20)(lg20LCRCA 22 )(lg20LC LC 2 lg20 55 如果令如果令 則則 由此可見，由此可見，LC低通濾波器比低通濾波器比RC低通濾波器有更低通濾波器有更 好的濾波性能。但是好的濾波性能。但是制造電感線圈比較麻煩制造電感線圈比較麻煩，不，不 利于大規(guī)模生產(chǎn)，也不便于集成化和小型化，使利于大規(guī)模生產(chǎn)，也不便于集成化和小型化，使 其應(yīng)用范圍受到局限。其應(yīng)用范圍受到局限。 l形形LC低通濾

39、波器低通濾波器 其結(jié)構(gòu)如下圖其結(jié)構(gòu)如下圖(b)所示，其傳遞函數(shù)為：所示，其傳遞函數(shù)為： LC 1 0 2 0 2 LC 0 lg40)(lg20 A 56 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( )( 2 i o SRCLCS SI SC RSL SI SC SU SU SA 57 由此可見，由此可見，形與形與L形有相同的衰減系數(shù)。實(shí)際上，形有相同的衰減系數(shù)。實(shí)際上， 由于信號(hào)源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)由于信號(hào)源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)形濾波器和形濾波器和 信號(hào)源連接后，相當(dāng)于信號(hào)源連接后，相當(dāng)于L形形RC濾波器和濾波器和LC濾波器濾波器 串聯(lián)，有效地改善了濾波特性。串聯(lián)，有效地改善了濾波特性

40、。 lT形形LC低通濾波器低通濾波器 根據(jù)電工學(xué)中星形三角形變換原理，將根據(jù)電工學(xué)中星形三角形變換原理，將T形電路形電路 濾波器變換成濾波器變換成形電路，如下圖所示形電路，如下圖所示。 58 設(shè)圖中Z1、Z3對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)抗為Y1和Y3，則T 形LC低通濾波器的傳遞函數(shù)按下述步驟求 出： 因?yàn)椋?所以 133131 3 31 3 /1 1 /1 1 )()( )(* )( YYZZZZ Z SIZZ SIZ SA )( 1 * 1 * 1 1 3 RSLSC SLRSLR SC SLR Y Y 1 1 1)( 1 )( 2 SRCLCSRSLSC SA 59 由此可見，由此可見，T形濾波器與形濾波

41、器與L形濾波器有相同的濾波形濾波器有相同的濾波 特性。實(shí)際上往往將特性。實(shí)際上往往將T形濾波器用于形濾波器用于負(fù)載阻抗小負(fù)載阻抗小 的情形，這比應(yīng)用的情形，這比應(yīng)用L形、形、形濾波器時(shí)負(fù)載電流小，形濾波器時(shí)負(fù)載電流小， 有效減輕了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。有效減輕了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。 5.2.7 低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇 由上節(jié)分析可知，由上節(jié)分析可知，L形、形、形和形和T形濾波器具有相形濾波器具有相 同的衰減系數(shù)，這是在沒有考慮輸入、輸出效應(yīng)同的衰減系數(shù)，這是在沒有考慮輸入、輸出效應(yīng) 情況下討論的。實(shí)際上系統(tǒng)的輸入、輸出效應(yīng)總情況下討論的。實(shí)際上系統(tǒng)的輸入、輸出效應(yīng)總 是客觀存在的，即信號(hào)源

42、總是有內(nèi)阻抗，負(fù)載總是客觀存在的，即信號(hào)源總是有內(nèi)阻抗，負(fù)載總 是有輸入阻抗，是有輸入阻抗，要根據(jù)信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載阻抗要根據(jù)信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載阻抗 來選擇低頻濾波器的電路結(jié)構(gòu)形式來選擇低頻濾波器的電路結(jié)構(gòu)形式，如下圖所示。，如下圖所示。 60 61 關(guān)于濾波器設(shè)計(jì)的幾個(gè)概念關(guān)于濾波器設(shè)計(jì)的幾個(gè)概念 u濾波器的零點(diǎn)。濾波器的零點(diǎn)。 u濾波器的極點(diǎn)。濾波器的極點(diǎn)。 u濾波器的頻率歸一化：濾波器的頻率歸一化： 歸一化是一種簡(jiǎn)化計(jì)算的方式，即將有量綱的表歸一化是一種簡(jiǎn)化計(jì)算的方式，即將有量綱的表 達(dá)式，經(jīng)過變換，化為無量綱的表達(dá)式，成為純達(dá)式，經(jīng)過變換，化為無量綱的表達(dá)式，成為純 量。比如，復(fù)數(shù)量。

43、比如，復(fù)數(shù)阻抗阻抗可以歸一化書寫：可以歸一化書寫：Z = R + jL = R(1 + jL/R) ，注意復(fù)數(shù)部分變成了純數(shù)，注意復(fù)數(shù)部分變成了純數(shù) 量了，沒有任何量綱。另外，微波之中也就是電量了，沒有任何量綱。另外，微波之中也就是電 路分析、信號(hào)系統(tǒng)、電磁波傳輸?shù)龋泻芏噙\(yùn)算路分析、信號(hào)系統(tǒng)、電磁波傳輸?shù)?，有很多運(yùn)算 都可以如此處理，既保證了運(yùn)算的便捷，又能凸都可以如此處理，既保證了運(yùn)算的便捷，又能凸 現(xiàn)出物理量的本質(zhì)含義。現(xiàn)出物理量的本質(zhì)含義。 62 5.2.8 低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式 低通濾波器一般采用低通濾波器一般采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以保證線路平

44、，以保證線路平 衡，這有利于抑制共模干擾信號(hào)，如下圖所示。衡，這有利于抑制共模干擾信號(hào)，如下圖所示。 63 低通濾波器為了改善選頻特性，可以實(shí)行級(jí)間串低通濾波器為了改善選頻特性，可以實(shí)行級(jí)間串 聯(lián)。但前面在討論濾波器的傳遞函數(shù)和頻率特性聯(lián)。但前面在討論濾波器的傳遞函數(shù)和頻率特性 時(shí)，都沒有時(shí)，都沒有考慮濾波器的負(fù)載考慮濾波器的負(fù)載的影響，即在沒有的影響，即在沒有 負(fù)載電流情況下討論的。但級(jí)聯(lián)以后，由于后級(jí)負(fù)載電流情況下討論的。但級(jí)聯(lián)以后，由于后級(jí) 成為前級(jí)的負(fù)載，導(dǎo)致總的頻率特性與單級(jí)不同。成為前級(jí)的負(fù)載，導(dǎo)致總的頻率特性與單級(jí)不同。 下圖為兩級(jí)下圖為兩級(jí)RC低通濾波器的串聯(lián)，后級(jí)成為前級(jí)低通

45、濾波器的串聯(lián)，后級(jí)成為前級(jí) 的負(fù)載。的負(fù)載。 64 傳遞函數(shù)為 若設(shè) 則有： 求解傳遞函數(shù)的特征方程，即 則 1)( 1 )( 212211 2 2121 SCRCRCRSCCRR SA TCRCRCRCCRR 2122112121 , 13 1 )( 22 TSST SA 013 22 TSST TT TTT S 2 53 2 493 2 22 2, 1 65 這說明在某一頻率下這說明在某一頻率下可能發(fā)生振蕩可能發(fā)生振蕩。由此可以看。由此可以看 出，原來兩個(gè)獨(dú)立的一階出，原來兩個(gè)獨(dú)立的一階RC濾波器，串聯(lián)后成了濾波器，串聯(lián)后成了 二階網(wǎng)絡(luò)。頻率特性變化的根本原因是后級(jí)成了二階網(wǎng)絡(luò)。頻率特性變

46、化的根本原因是后級(jí)成了 前級(jí)的負(fù)載。前級(jí)的負(fù)載。 若使后級(jí)的若使后級(jí)的RC阻抗增大，對(duì)前級(jí)造成的負(fù)載效應(yīng)阻抗增大，對(duì)前級(jí)造成的負(fù)載效應(yīng) 忽略不計(jì)，則形成了兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，分析忽略不計(jì)，則形成了兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，分析 起來十分方便，如下圖起來十分方便，如下圖( a )所示，后級(jí)的阻抗為所示，后級(jí)的阻抗為 66 后級(jí)的阻抗是前級(jí)阻抗的后級(jí)的阻抗是前級(jí)阻抗的m倍。倍。 如下圖如下圖(b)所示，由于忽略了負(fù)載效應(yīng)，所示，由于忽略了負(fù)載效應(yīng)， 同理可得同理可得 22 2 22 2 22 1 C Rm C m RmZ m 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( 1 1 2 SRC SI SC

47、 R SI SC SU SU i 1 1 1 1 )( )( 2 3 SRC M C SMR SU SU 67 令 則 1 1 1 1 )( )( 2 2 3 SRC M C RSM SU SU o RCT 1lg60 )( )( lg20 22 T jU jU i o 68 由此可得出結(jié)論：由此可得出結(jié)論： 當(dāng)當(dāng)RC低通濾波器串聯(lián)工作時(shí)，若后級(jí)的電阻是前低通濾波器串聯(lián)工作時(shí)，若后級(jí)的電阻是前 級(jí)的級(jí)的m倍，其電容應(yīng)減小為前級(jí)電容的倍，其電容應(yīng)減小為前級(jí)電容的l/m，那么，那么 當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí)，當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí)， 一級(jí)濾波器衰減一級(jí)濾波器衰減20dB/十倍頻程，十倍頻程， 二級(jí)濾波器

48、衰減二級(jí)濾波器衰減40dB/十倍頻程，十倍頻程， 三級(jí)濾波器衰減為三級(jí)濾波器衰減為60dB/十倍頻程。十倍頻程。 級(jí)數(shù)越多，衰減系數(shù)也就越大。級(jí)數(shù)越多，衰減系數(shù)也就越大。 69 5.3 常用濾波器元件常用濾波器元件 5.3.1 電容器電容器 l 實(shí)際電容器的特性實(shí)際電容器的特性 電容器是基本的濾波器件，在低通濾波器中作為電容器是基本的濾波器件，在低通濾波器中作為 旁路器件使用。利用它的旁路器件使用。利用它的阻抗隨頻率升高而降低阻抗隨頻率升高而降低 的特性，起到對(duì)高頻干擾旁路的作用。但是，在的特性，起到對(duì)高頻干擾旁路的作用。但是，在 實(shí)際使用中一定要注意電容器的非理想性。實(shí)際使用中一定要注意電容

49、器的非理想性。 (1) 實(shí)際電容器的等效電路實(shí)際電容器的等效電路 實(shí)際電容器的電路模型如下圖所示，它是由等效實(shí)際電容器的電路模型如下圖所示，它是由等效 電感電感(ESL)、電容和等效電阻、電容和等效電阻(ESR)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng) 絡(luò)。電感分量是由引線和電容結(jié)構(gòu)所決定的，電絡(luò)。電感分量是由引線和電容結(jié)構(gòu)所決定的，電 阻是介質(zhì)材料所固有的。阻是介質(zhì)材料所固有的。 70 電感分量是影響電容頻率特性的主要指標(biāo)，電感分量是影響電容頻率特性的主要指標(biāo)， 因此，在分析實(shí)際電容器的旁路作用時(shí)，因此，在分析實(shí)際電容器的旁路作用時(shí)， 用用LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來等效。串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來等效。 (2)對(duì)濾波特性的影響對(duì)濾波特

50、性的影響 實(shí)際電容器的特性如下頁圖所示，發(fā)生串實(shí)際電容器的特性如下頁圖所示，發(fā)生串 聯(lián)諧振時(shí)電容的阻抗最小，旁路效果最好。聯(lián)諧振時(shí)電容的阻抗最小，旁路效果最好。 71 超過諧振點(diǎn)后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗超過諧振點(diǎn)后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗 的特性的特性隨頻率的升高而增加，旁路效果開始隨頻率的升高而增加，旁路效果開始 變差。這時(shí)，作為旁路器件使用的電容器就開始變差。這時(shí)，作為旁路器件使用的電容器就開始 失去旁路作用。失去旁路作用。 72 理想電容的阻抗是隨著頻率的升高而降低，而實(shí)理想電容的阻抗是隨著頻率的升高而降低，而實(shí) 際電容的阻抗具有如上圖所示的頻率特性，在頻際電容的阻抗具有如

51、上圖所示的頻率特性，在頻 率較低時(shí)，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加率較低時(shí)，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加 而降低，在某一點(diǎn)發(fā)生諧振，在這點(diǎn)電容的阻抗而降低，在某一點(diǎn)發(fā)生諧振，在這點(diǎn)電容的阻抗 等于等效串聯(lián)電阻等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點(diǎn)以上，由于。在諧振點(diǎn)以上，由于 ESL的作用，電容阻抗隨著頻率的升高而增加，的作用，電容阻抗隨著頻率的升高而增加， 這是這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點(diǎn)以上，。在諧振點(diǎn)以上， 由于電容的阻抗增加，因此對(duì)高頻噪聲的旁路作由于電容的阻抗增加，因此對(duì)高頻噪聲的旁路作 用減弱，甚至消失。用減弱，甚至消失。 電容的諧振頻率由電容的諧振頻

52、率由ESL和和C共同決定，電容值或共同決定，電容值或 電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電容的高電容的高 頻濾波效果越差頻濾波效果越差。 73 ESL除了與電容器的種類有關(guān)外，電容的引線長(zhǎng)除了與電容器的種類有關(guān)外，電容的引線長(zhǎng) 度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線越長(zhǎng)，則電感越度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線越長(zhǎng)，則電感越 大，電容的諧振頻率越低。因此在實(shí)際工程中，大，電容的諧振頻率越低。因此在實(shí)際工程中， 要使要使電容器的引線盡量短電容器的引線盡量短，電容器的正確安裝方，電容器的正確安裝方 法和不正確安裝方法如下圖所示。法和不正確安裝方法如下圖所示。 74 (3) 溫度

53、的影響溫度的影響 由于由于電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響， 因此電容器的電容值也隨著溫度變化。不同的介因此電容器的電容值也隨著溫度變化。不同的介 質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律不同，有些電容器的容量當(dāng)質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律不同，有些電容器的容量當(dāng) 溫度升高時(shí)會(huì)減小溫度升高時(shí)會(huì)減小70%以上，常用的濾波電容為以上，常用的濾波電容為 瓷介質(zhì)電容，瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型：瓷介質(zhì)電容，瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型：COG或或 NPO，穩(wěn)定型：，穩(wěn)定型：X7R，和通用型：，和通用型：Y5V或或Z5U共共3 種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如下圖所示。種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如下圖

54、所示。 75 76 (4)電壓的影響電壓的影響 電容器的電容量不僅隨著溫度變化，還會(huì)隨著工電容器的電容量不僅隨著溫度變化，還會(huì)隨著工 作電壓變化作電壓變化，這一點(diǎn)在實(shí)際工程中必須注意。不，這一點(diǎn)在實(shí)際工程中必須注意。不 同介質(zhì)材料的電容器的電壓特性如圖同介質(zhì)材料的電容器的電壓特性如圖5.24所示。所示。 從圖中可以看出，從圖中可以看出，X7R電容器在額定電壓狀態(tài)下，電容器在額定電壓狀態(tài)下， 其容量降為原始值的其容量降為原始值的70%，而，而Y5V電容器的容量電容器的容量 降為原始值的降為原始值的30%。 77 78 綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí)，電容的變化如下綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí)，電容的變

55、化如下 圖所示。圖所示。 79 80 81 l 電容器的種類及選用電容器的種類及選用 (1)按介質(zhì)材料分類按介質(zhì)材料分類 云母電容器云母電容器(CY) 紙介電容器紙介電容器(CZ) 陶瓷電容器陶瓷電容器(CC) 塑料介質(zhì)電容器塑料介質(zhì)電容器(CB和和CL) 電解電容器電解電容器(CD) (2) 按接入方式分類按接入方式分類 三端電容器三端電容器 穿心電容器穿心電容器 片狀電容器片狀電容器 82 l 電容器使用注意事項(xiàng)電容器使用注意事項(xiàng) 注意電容器的耐壓；注意環(huán)境溫度；注意注意電容器的耐壓；注意環(huán)境溫度；注意 電解電容器極性；注意電容器產(chǎn)生的干擾電解電容器極性；注意電容器產(chǎn)生的干擾 噪聲噪聲 l

56、 電容器的型號(hào)及容量表示法電容器的型號(hào)及容量表示法 電容器的型號(hào)一般由四部分組成。電容器的型號(hào)一般由四部分組成。 第一部分：主稱第一部分：主稱(用字母用字母C表示表示)。 第二部分：材料第二部分：材料(用字母表示用字母表示)，例如：，例如：Z 紙介；紙介；Y云母；云母；C瓷介；瓷介；B 聚苯乙烯；聚苯乙烯；L滌綸；滌綸；D鋁鋁(電解電解)； A鉭鉭(電解電解)。 83 第三部分：分類第三部分：分類(一般用數(shù)字表示，個(gè)別類型用字一般用數(shù)字表示，個(gè)別類型用字 母表示母表示)，例如：電容器，例如：電容器(云母、有機(jī)云母、有機(jī)) 1，2非非 密封；密封；3，4密封。密封。 第四部分：序號(hào)第四部分：序號(hào)

57、(用數(shù)字表示用數(shù)字表示)。電容器的單位以。電容器的單位以F、 F、nF和和pF表示。它們之間的關(guān)系是表示。它們之間的關(guān)系是l F 103mF106F；1F103nF106pF。因此，。因此， 1F10-6 F，1 nF10-9F，1 pF10-12F。國(guó)際國(guó)際 電工委員會(huì)規(guī)定電容量的表示法電工委員會(huì)規(guī)定電容量的表示法為：為：m 代表代表 10 3, 代表 代表10-6，n代表代表10-9，p代表代表10-12。用二位數(shù)。用二位數(shù) 字表示有效數(shù)字，再用一個(gè)字母表示數(shù)值的量級(jí)。字表示有效數(shù)字，再用一個(gè)字母表示數(shù)值的量級(jí)。 如如1p21.210 12 1.2pF，220n22010-9 0.2210

58、-60.22F，333.310-63.3F， 2m22.210-3220010-62200F。 84 另一種表示方法是另一種表示方法是用用3位有效數(shù)字表示電容量位有效數(shù)字表示電容量，最，最 后用一個(gè)字母表示誤差。后用一個(gè)字母表示誤差。3位數(shù)字中的前兩位表位數(shù)字中的前兩位表 示有效值，第三位表示示有效值，第三位表示10n的的n值，值，n = l8，特，特 殊情況殊情況n9時(shí)，不表示時(shí)，不表示109。而表示為。而表示為 10 1。 。 例如，例如，“102”表示表示10102 = l 000pF “103”表示表示10103 = 10 000pF = 0.0lF “223”表示表示22103 =

59、22 000pF = 0.022F “474”表示表示47104 = 470 000pF = 0.47F “159”表示表示15l0 1pF = l.5pF 有效數(shù)字后面的字母表示誤差值，由于制造電容有效數(shù)字后面的字母表示誤差值，由于制造電容 的材料不同，誤差范圍也不同，有的誤差很大。的材料不同，誤差范圍也不同，有的誤差很大。 85 5.3.2 電感電感 l 實(shí)際電感的特性實(shí)際電感的特性 一段導(dǎo)線就構(gòu)成了一個(gè)電感。要獲得較大的電感一段導(dǎo)線就構(gòu)成了一個(gè)電感。要獲得較大的電感 量，需要將導(dǎo)線繞成線圈。線圈的芯材可以有兩量，需要將導(dǎo)線繞成線圈。線圈的芯材可以有兩 種，一種種，一種是非磁性的是非磁性的

60、(空氣空氣)，一種是磁性的。磁，一種是磁性的。磁 性磁芯又有性磁芯又有閉合磁路的和開放磁路閉合磁路的和開放磁路的。的。 實(shí)際電感的等效電路、頻率特性如下圖所示。實(shí)際電感的等效電路、頻率特性如下圖所示。 86 87 5.3.3 鐵氧體鐵氧體EMI抑制元件抑制元件 l鐵氧體的特性鐵氧體的特性 導(dǎo)線穿過鐵氧體磁芯構(gòu)成的電感的阻抗雖導(dǎo)線穿過鐵氧體磁芯構(gòu)成的電感的阻抗雖 然在形式上是隨著頻率的升高而增加，但然在形式上是隨著頻率的升高而增加，但 是在不同頻率上，其機(jī)理是完全不同的。是在不同頻率上，其機(jī)理是完全不同的。 鐵氧體的等效電路在低頻和高頻時(shí)是不同鐵氧體的等效電路在低頻和高頻時(shí)是不同 的。的。低頻時(shí)