第4章-濾波技術

1、1第第4章章 濾波技術濾波技術2 濾波技術是抑制電氣、電子設備傳導干擾的主要手段之一，也是提高電子設備抗傳導干擾的重要措施。 濾波器的作用: 允許工作必須的信號頻率通過，而對工作不必須的信號頻率有很大的衰減作用，這樣就使產生干擾的機會減為最少。34.1 4.1 電磁干擾（電磁干擾（EMIEMI）濾波器）濾波器 濾波器的構成: 由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的具有選頻作用二端口網絡。 濾波器的通帶: 無衰減地通過濾波器的頻率段。 濾波器的阻帶: 通過濾波器時受到很大衰減地的頻率段。44.1 4.1 電磁干擾（電磁干擾（EMIEMI）濾波器）濾波器5EMI濾波器的作用作用: 切斷干擾沿信號線或

2、電源線傳播的路徑切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。信號濾波器電源濾波器6顯然，當顯然，當 時，時，IL大于零，大于零，IL越大，濾波效果越好越大，濾波效果越好21VV濾波器的插入損耗濾波器的插入損耗7 4.2 濾波器的分類及特性8n頻率范圍寬n 阻抗不確定頻率范圍寬，過渡帶窄；頻率范圍寬，過渡帶窄； 阻抗不確定，變化范圍寬阻抗不確定，變化范圍寬9 按頻率特性分類按頻率特性分類 10衰減衰減衰減衰減低通帶通高通帶阻3dB截止頻率截止頻率11 干擾濾波器多為干擾濾波器多為低通低通濾波器濾波器 因為因為q電磁干擾大多頻率較高的信號，因為

3、頻率越高的信號電磁干擾大多頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合越容易輻射和耦合q 數(shù)字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，數(shù)字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，防止對其它電路產生干擾。必須濾除，防止對其它電路產生干擾。q 電源線上的雜波有較高頻率較高電源線上的雜波有較高頻率較高q頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串擾嚴重頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串擾嚴重12 低通低通/ /反射反射濾波器類型濾波器類型型C 型型T型L型反型q 電容并聯(lián)電容并聯(lián)在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流）或信號線在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流）

4、或信號線與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯(lián)電感串聯(lián)在要濾波的信號線上。在要濾波的信號線上。q 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。過渡帶越短。q 不同結構的濾波電路適合于不同的源阻抗和負載阻抗。不同結構的濾波電路適合于不同的源阻抗和負載阻抗。1320406080100 fc 10fc 100fc 1000fc 5階階 4階階 3階階 2階階 1階階20N/十倍頻程十倍頻程6N/倍頻程倍頻程插入損耗插入損耗dB過渡帶與器件數(shù)量的關系

5、過渡帶與器件數(shù)量的關系 每增加一個器件，過渡帶的每增加一個器件，過渡帶的斜率斜率增加增加 20dB/20dB/十倍頻程，十倍頻程，或或 6dB/6dB/倍頻程。倍頻程。14 確定濾波器階數(shù)50 100欲衰減欲衰減20dB4 6=24 20截止頻率距干擾頻率較近，故截止頻率距干擾頻率較近，故至少至少4階濾波器。階濾波器。10 1001 20 = 20截止頻率距干擾頻率較近，故截止頻率距干擾頻率較近，故1 1階濾波器就可以了，為了保險，階濾波器就可以了，為了保險，可用可用2 2階。階。欲衰減欲衰減20dBL、C的數(shù)值決定截止頻率的數(shù)值決定截止頻率階數(shù)決定過渡帶的陡度階數(shù)決定過渡帶的陡度結論：結論：

6、L、C的數(shù)值決定截止頻率，階數(shù)決定過渡帶的陡度的數(shù)值決定截止頻率，階數(shù)決定過渡帶的陡度15 根據(jù)阻抗選用濾波電路根據(jù)阻抗選用濾波電路 規(guī)律：電容對高阻，電感對低阻規(guī)律：電容對高阻，電感對低阻16n網絡解釋：濾波器看作二端口網絡，反射系數(shù)在輸入和輸出端分別為 LoutLoutoutZZZZinsinsinZZZZ 源阻抗源阻抗 電路結構電路結構 負載阻抗負載阻抗 高高 C、 、多級、多級 高高 高高 、多級、多級 低低 低低 反反 、多級反、多級反 高高 低低 L、多級、多級L 低低17器件參數(shù)的確定器件參數(shù)的確定LCRR L = R / 2FC C = 1 / 2RFC對于T形（多級T）和 形

7、（多級）電路，最外邊的電感或電容取 L/2 和 C/2，中間的不變。巴特沃斯，切比雪夫，貝塞爾等方式巴特沃斯，切比雪夫，貝塞爾等方式18實際電容器的特性實際電容器的特性ZC理想電容理想電容f引線長1.6mm的陶瓷電容器 電容量 諧振頻率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 60實際電容實際電容1/2 LCCLES巧用諧振點巧用諧振點1920克服電容克服電容非非理想性的方法理想性的方法 大大容容量量 頻率頻率衰減衰減小電容大電容大電容并聯(lián)電容小容量小容量v 美中不足美中不足：在大電容

8、的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現(xiàn)電感特性（阻抗隨頻率升高增加），小電容呈現(xiàn)電容特性，實際是一個現(xiàn)電感特性（阻抗隨頻率升高增加），小電容呈現(xiàn)電容特性，實際是一個LC并聯(lián)網絡。這個并聯(lián)網絡。這個LC并聯(lián)網絡在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導致其阻并聯(lián)網絡在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導致其阻抗為無限大，這時電容并聯(lián)網絡實際已經失去旁路作用。如果剛好在這個頻抗為無限大，這時電容并聯(lián)網絡實際已經失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強的干擾，就會出現(xiàn)干擾問題。若將大、中、小三種容值的電容并率上有較強的干擾，就會出現(xiàn)干擾問題。若將大、中、小三種

9、容值的電容并聯(lián)起來使用，會有更多的諧振點，濾波器在更多的頻率上失效。聯(lián)起來使用，會有更多的諧振點，濾波器在更多的頻率上失效。 q 簡單的方案簡單的方案：大小電容并聯(lián)，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻大小電容并聯(lián)，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻。21 三端電容器的原理三端電容器的原理引線電感與電容一引線電感與電容一起構成了一個起構成了一個T形形低通濾波器低通濾波器在引線上安裝兩個在引線上安裝兩個磁珠濾波效果更好磁珠濾波效果更好地線電感起地線電感起著不良作用著不良作用三端電容普通電容普通電容 30 702060401GHzq 三端電容（比較流行的方法）：一個電極上的兩根引線串聯(lián)在需要濾波的三

10、端電容（比較流行的方法）：一個電極上的兩根引線串聯(lián)在需要濾波的導線中。導線中。導線電感與電容構成了一個導線電感與電容構成了一個T形濾波器，消除了一個電極上的串聯(lián)電形濾波器，消除了一個電極上的串聯(lián)電感感。三端電容比普通電容具有更高的諧振頻率和濾波效果。三端電容比普通電容具有更高的諧振頻率和濾波效果。并并可在三端電容兩可在三端電容兩個相連的引線上套兩個鐵氧體磁主，進一步提高個相連的引線上套兩個鐵氧體磁主，進一步提高T形濾波器的效果。形濾波器的效果。衰減諧振頻率后移諧振頻率后移22 三端電容器的不足寄生電容造成輸入寄生電容造成輸入 端、輸出端耦合端、輸出端耦合接地電感造成旁接地電感造成旁路效果下降路

11、效果下降q 中間的接地線越短越好，中間的接地線越短越好，避免兩側的引線的平行部分避免兩側的引線的平行部分過長，否則高頻濾波效果會過長，否則高頻濾波效果會打很大折扣。打很大折扣。 q 制約著其高頻效果的制約著其高頻效果的兩個因素：寄生電容耦合，兩個因素：寄生電容耦合，接地線的電感。三端電容接地線的電感。三端電容的濾波效果一般在的濾波效果一般在300MHz300MHz以下。以下。23 穿心電容更勝一籌金屬板隔離輸金屬板隔離輸入輸出端入輸出端 一周接地，一周接地，電感很小電感很小q 接地電感小接地電感?。寒敶┬碾娙莸耐饪团c面板之間在：當穿心電容的外客與面板之間在360的范圍內連接時，連接電的范圍內連

12、接時，連接電感是很小的。因此，在高頻時，能夠提供很好的旁路作用。感是很小的。因此，在高頻時，能夠提供很好的旁路作用。q 輸入輸出沒有耦合輸入輸出沒有耦合：用于安裝穿心電容的金屬板起到了隔離板的作用，使濾波：用于安裝穿心電容的金屬板起到了隔離板的作用，使濾波器的輸入端和輸出端得到了有效的隔離，避免了高頻時的電容耦合現(xiàn)象。器的輸入端和輸出端得到了有效的隔離，避免了高頻時的電容耦合現(xiàn)象。 穿心電容的濾波范圍可以達到數(shù)穿心電容的濾波范圍可以達到數(shù)GHzGHz以上以上24穿心電容的濾波范圍可以達到數(shù)穿心電容的濾波范圍可以達到數(shù)GHzGHz以上以上2526穿心電容的插入損耗穿心電容的插入損耗穿心電容穿心電

13、容插入損耗插入損耗頻率頻率1GHz普通電容普通電容理想電容理想電容q 穿心電容的阻抗接近理想電容，穿心電容的阻抗接近理想電容，只是在某個頻率會出現(xiàn)一個凹陷。只是在某個頻率會出現(xiàn)一個凹陷。2728實際電感器的特性 電感量電感量 （ H） 諧振頻率諧振頻率 (MHZ) 3.445 8.828 685.7 1252.6 5001.2f 繞在鐵粉芯上的電感繞在鐵粉芯上的電感ZL理想電感實際電感1/2 LCLC2930電感寄生電容的來源電感寄生電容的來源每圈之間的電容每圈之間的電容 CTT導線與磁芯之間的電容導線與磁芯之間的電容CTC磁芯為導體時，磁芯為導體時，CTC為主要因素，為主要因素，磁芯為非導體

14、時，磁芯為非導體時，CTT為主要因素。為主要因素。CTCCTT31磁芯磁芯/ /繞線方式繞線方式對寄生電容的影響對寄生電容的影響鐵粉芯鐵粉芯(非導電）非導電） C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 鐵氧體（錳鋅）鐵氧體（錳鋅） C = 51pf C = 49pf 4%q 鐵粉芯作磁芯時，由于它不導電，不僅寄生電容很小，而且當將繞線方式改為鐵粉芯作磁芯時，由于它不導電，不僅寄生電容很小，而且當將繞線方式改為松散繞制時，電容下降了將近松散繞制時，電容下降了將近20%。q 用錳鋅鐵氧體作磁芯時，由于這種材料導電率較高，不僅電容量較大，而且與用錳鋅鐵氧體作磁芯時，由于這種材料導電率較高，

15、不僅電容量較大，而且與繞線方式關系不大。繞線方式關系不大。繞線方式繞線方式32 減小電感寄生電容的方法然后：然后：起始端與終止端遠離（夾角大于起始端與終止端遠離（夾角大于40度）度）盡量單層繞制，并增加匝間距離盡量單層繞制，并增加匝間距離多層繞制時，多層繞制時， 采用采用“漸進漸進”方式繞，不要來回繞。方式繞，不要來回繞。如果磁芯是導體，首先：如果磁芯是導體，首先：用介電常數(shù)用介電常數(shù)低低的材料增加繞組導體與磁芯之間的距離的材料增加繞組導體與磁芯之間的距離33分組繞制分組繞制 ：（要求高時，用大電感和小電感串聯(lián)起來使用）：（要求高時，用大電感和小電感串聯(lián)起來使用）n 總電容是兩寄生電容的串聯(lián)，

16、總容量比每段的寄生容量小總電容是兩寄生電容的串聯(lián)，總容量比每段的寄生容量小n電感分解成較大的電感和較小電感的串聯(lián)，使電感的帶寬擴展。電感分解成較大的電感和較小電感的串聯(lián)，使電感的帶寬擴展。代價是體積和成本。并引入了額外的串聯(lián)諧振點。諧振點上阻抗很小。代價是體積和成本。并引入了額外的串聯(lián)諧振點。諧振點上阻抗很小。34 電感磁芯的選用電感磁芯的選用 錳鋅：錳鋅： r = 500 10000，R = 0.1100 m鐵粉磁芯：不易飽和、鐵粉磁芯：不易飽和、導磁率低導磁率低，作差模扼流圈的磁芯，作差模扼流圈的磁芯鐵氧體：最常用鐵氧體：最常用鎳鋅：鎳鋅： r = 10 100，R = 1k 1M m超微

17、晶：超微晶： r 10000，做大電感量共模扼流圈的磁心，做大電感量共模扼流圈的磁心v 空心線圈的電感量很小，使用導磁率空心線圈的電感量很小，使用導磁率較高的材料作磁芯可大大地增加電感量。較高的材料作磁芯可大大地增加電感量。 35 電感量與飽和電流的計算電感量與飽和電流的計算SD1D2飽和電流： Imax = Bmax S (D1-D2)/2L電感量： L （nH）= 0.2 N2 r S(mm) ln (D1/D2)電感量電感量廠家手冊給出廠家手冊給出 廠家經常給出每匝的電感量廠家經常給出每匝的電感量“AL”，則，則 L （nH）= AL N2 當電感磁芯發(fā)生飽和時，電感量變小，失去對干擾的

18、抑制當電感磁芯發(fā)生飽和時，電感量變小，失去對干擾的抑制作用。若額定電流大于作用。若額定電流大于飽和電流（飽和電流（I Imax），就會發(fā)生飽和，），就會發(fā)生飽和，需要調整磁芯的尺寸需要調整磁芯的尺寸（D1，2 /S），使額定電流小于，使額定電流小于I Imax 3637利用共模扼流圈利用共模扼流圈避免電感飽和避免電感飽和p 這種電感只對共模干擾電流有抑制作用，而對差模電這種電感只對共模干擾電流有抑制作用，而對差模電流沒有影響，因此叫流沒有影響，因此叫共模扼流圈共模扼流圈。q 寄生差模電感的好處：部分漏磁產生差模電感。寄生寄生差模電感的好處：部分漏磁產生差模電感。寄生差模電感的存在可以對差模干擾

19、有一定的抑制作用。在差模電感的存在可以對差模干擾有一定的抑制作用。在設計濾波器時，可以將這種因素考慮進來。設計濾波器時，可以將這種因素考慮進來。 有意增加漏磁，有意增加漏磁， 利用差模電感利用差模電感38吸收式濾波器吸收式濾波器q吸收式濾波器是由有耗器件構成的，在阻帶內吸收躁聲吸收式濾波器是由有耗器件構成的，在阻帶內吸收躁聲的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。q鐵氧體鐵氧體吸收型濾波器是目前應用發(fā)展很快的一種吸收型濾波器是目前應用發(fā)展很快的一種低通濾低通濾波器波器。鐵氧體是一種由鐵、鏡、鋅氧化物混合而成，具。鐵氧體是一種由鐵、鏡、鋅氧化物混合而成，具有很

20、高的電阻率，較高的磁導率有很高的電阻率，較高的磁導率( (約為約為100100一一1500) 1500) 磁性磁性材料。材料。低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發(fā)。它可以等效流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發(fā)。它可以等效為電阻和電感的為電阻和電感的串聯(lián)串聯(lián)。電阻值和電感量都是隨著。電阻值和電感量都是隨著頻率頻率而而變化的變化的39鐵氧體的鐵氧體的相對導磁常數(shù)相對導磁常數(shù)磁性體材料誘電體材料High 電 / High 磁 材料材料e e100100101101102102103103104104105105 相

21、對導磁常數(shù): ur相對介電常數(shù) j 404142鐵氧體濾波機理鐵氧體濾波機理 Z(f）Z(f)RZL Z fKjKq 在低頻，磁芯的磁導率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是在低頻，磁芯的磁導率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高一個低損耗、高Q特性的電感。特性的電感。q 在高頻，在高頻，阻抗由電阻成分構成。隨著頻率升高，磁芯的磁導阻抗由電阻成分構成。隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加。率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加。當高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。當高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。 4

22、34445 電源線濾波器電源線的傳導騷擾電壓電源線的傳導騷擾電壓46 共模干擾和差模干擾cIcIp 相中（相中（UPG），中地（），中地（ UN G）共模電流共模電流 I C， 相中（相中（UPN）差模電路差模電路 I Dp 可看作獨立干擾來研究可看作獨立干擾來研究p 需同時濾波抑制需同時濾波抑制PGNGPGNGCDU+UUUU =, U=2247cIcI電源線濾波器的基本電路共模扼流圈共模扼流圈差模電容差模電容共模電容共模電容4849 由于共模電由于共模電流產生的磁力線流產生的磁力線方向相同，電感方向相同，電感增強，感抗增大。增強，感抗增大。即對共模電流具即對共模電流具有很強的感抗，有很強的

23、感抗，故稱之為故稱之為共模扼共模扼流圈流圈。50損耗頻率頻率理想濾波器特性理想濾波器特性實際濾波器特性實際濾波器特性一般產品說明書上給出的數(shù)據(jù)是50條件下的測試結果。30MHz越來越受到關注越來越受到關注電源線濾波器的特性51或精心繞制或多個電感串聯(lián)精心繞制或多個電感串聯(lián)改善濾波器高頻特性的方法525354信號濾波器的安裝信號濾波器的安裝板上濾波器板上濾波器在無屏蔽的場在無屏蔽的場合：合： 濾波器靠近被濾波導線的靠近器件或線路板一端。有屏蔽的場合：在屏蔽界面上有屏蔽的場合：在屏蔽界面上55板上濾波器的注意事項板上濾波器的注意事項濾波器要并排安裝濾波器要并排安裝線路板的干凈地與金屬機線路板的干凈地與金屬機箱或大金屬板緊密搭接箱或大金屬板緊密搭接為濾波設置干凈地為濾波設置干凈地在接口處設置檔板在接口處設置檔板濾波器靠近接口濾波器靠近接口56面板上濾波的簡易（臨時）方法加容量適當?shù)拇善娙莼颡毷娙?，引線盡量短。加容量適當?shù)拇善娙莼颡毷娙?，引線盡量短。57電纜濾波的方法電纜濾波的方法連接器連接器屏蔽盒屏蔽盒饋通濾波器饋通濾波