第4章-濾波技術(shù)

1、1 第第4章章 濾波技術(shù)濾波技術(shù) 2 濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo) 干擾的主要手段之一，也是提高電子設(shè) 備抗傳導(dǎo)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(chǎn)生干擾的機(jī) 會減為最少。 3 4.1 4.1 電磁干擾（電磁干擾（EMIEMI）濾波器）濾波器 濾波器的構(gòu)成: 由電感、電容、電阻或 鐵氧體器件構(gòu)成的具有選頻作用二端口網(wǎng)絡(luò)。 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。 4 4.1 4.1 電磁干擾（電磁干擾（EMIEMI）濾波器）濾波器 5 EMI濾波器

2、的作用 作用: 切斷干擾沿信號線或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(gòu)成完善的干擾防護(hù)。，與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。 信號濾波器 電源濾波器 6顯然，當(dāng)顯然，當(dāng) 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 21 VV 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 8 n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

3、干擾濾波器多為低通低通濾波器濾波器 因?yàn)橐驗(yàn)?q電磁干擾大多頻率較高的信號，因?yàn)轭l率越高的信號電磁干擾大多頻率較高的信號，因?yàn)轭l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(chǎn)生干擾。必須濾除，防止對其它電路產(chǎn)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?dāng)_嚴(yán)重頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串?dāng)_嚴(yán)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)

4、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）或信號線 與機(jī)殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），與機(jī)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(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗。不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗。 13 20 40 60 80 100 fc 10fc 100fc 1000

5、fc 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(guān)系過渡帶與器件數(shù)量的關(guān)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20dB 4 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。 10 100 1 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

6、波器就可以了，為了保險， 可用可用2 2階。階。 欲衰減欲衰減20dB L、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(jié)論：結(jié)論：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 16 n網(wǎng)絡(luò)解釋：濾波器看作二端口網(wǎng)絡(luò)，反射系數(shù) 在輸入和輸出端分別為 Lout Lout out ZZ ZZ ins ins in ZZ ZZ 源阻抗源阻抗 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 負(fù)載阻抗負(fù)載阻抗 高高 C、 、多級、多級 高高 高高 、

7、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 L C RR L = R / 2FC C = 1 / 2RFC 對于T形（多級T）和 形（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(shí)際電容器的特性實(shí)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 3

8、30 pF 60 實(shí)際電容實(shí)際電容 1/2 LC C LES 巧用諧振點(diǎn)巧用諧振點(diǎn) 19 20 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(shí)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(shí)際是一個 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這個并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致其阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，

9、導(dǎo)致其阻 抗為無限大，這時電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個頻 率上有較強(qiáng)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(qiáng)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 聯(lián)起來使用，會有更多的諧振點(diǎn)，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(diǎn)，濾波器在更多的頻率上失效。 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(gòu)成了一個

10、起構(gòu)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 70 20 60 40 1GHz q 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(dǎo)線中。導(dǎo)線中。導(dǎo)線電感與電容構(gòu)成了一個導(dǎo)線電感與電容構(gòu)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

11、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(jìn)一步提高個相連的引線上套兩個鐵氧體磁主，進(jìn)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(cè)的引線的平行部分避免兩側(cè)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

12、。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?dāng)穿心電容的外客與面板之間在：當(dāng)穿心電容的外客與面板之間在360的范圍內(nèi)連接時，連接電的范圍內(nèi)連接時，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

13、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(dá)到數(shù)穿心電容的濾波范圍可以達(dá)到數(shù)GHzGHz以上以上 24 穿心電容的濾波范圍可以達(dá)到數(shù)穿心電容的濾波范圍可以達(dá)到數(shù)GHzGHz以上以上 25 26 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。 27 28 實(shí)際電感器的特性 電感量電感量 （

14、 H） 諧振頻率諧振頻率 (MHZ) 3.445 8.828 685.7 1252.6 5001.2 f 繞在鐵粉芯上的電感繞在鐵粉芯上的電感 ZL 理想電感實(shí)際電感 1/2 LC L C 29 30 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(dǎo)線與磁芯之間的電容導(dǎo)線與磁芯之間的電容CTC 磁芯為導(dǎo)體時，磁芯為導(dǎo)體時，CTC為主要因素，為主要因素， 磁芯為非導(dǎo)體時，磁芯為非導(dǎo)體時，CTT為主要因素。為主要因素。 CTC CTT 31 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(dǎo)電）非導(dǎo)電） C = 4.28pf C = 3

15、.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(dǎo)電，不僅寄生電容很小，而且當(dāng)將繞線方式改為鐵粉芯作磁芯時，由于它不導(dǎo)電，不僅寄生電容很小，而且當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)電率較高，不僅電容量較大，而且與 繞線方式關(guān)系不大。繞線方式關(guān)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(yuǎn)離（夾角大于起始端與終止端遠(yuǎn)離（夾角大于40度

16、）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(jìn)漸進(jìn)”方式繞，不要來回繞。方式繞，不要來回繞。 如果磁芯是導(dǎo)體，首先：如果磁芯是導(dǎo)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(dǎo)體與磁芯之間的距離的材料增加繞組導(dǎo)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)，總?cè)萘勘让慷蔚募纳萘啃】傠娙菔莾杉纳娙莸拇?lián)，總?cè)萘勘让慷蔚募纳萘啃?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(kuò)展。電感分解成較大的電感和較小電

17、感的串聯(lián)，使電感的帶寬擴(kuò)展。 代價是體積和成本。并引入了額外的串聯(lián)諧振點(diǎn)。諧振點(diǎn)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(diǎn)。諧振點(diǎn)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(dǎo)磁率低導(dǎo)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(dǎo)磁率空心線圈的電感量很小，使用

18、導(dǎo)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(jì)算電感量與飽和電流的計(jì)算 S D1D2 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(jīng)常給出每匝的電感量廠家經(jīng)常給出每匝的電感量“AL”，則，則 L （nH）= AL N2 當(dāng)電感磁芯發(fā)生飽和時，電感量變小，失去對干擾的抑制當(dāng)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），

19、就會發(fā)生飽和，），就會發(fā)生飽和， 需要調(diào)整磁芯的尺寸需要調(diào)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 36 37 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(chǎn)生差模電感。寄生寄生差模電感的好處：部分漏磁產(chǎn)生差模電感。寄生 差模電感的存在可以對差模干擾有一定的抑制作用。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(shè)計(jì)濾波器時，可以將這種因素考慮進(jìn)來。設(shè)計(jì)濾波

20、器時，可以將這種因素考慮進(jìn)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(gòu)成的，在阻帶內(nèi)吸收躁聲吸收式濾波器是由有耗器件構(gòu)成的，在阻帶內(nèi)吸收躁聲 的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而起到濾波作用。的能量轉(zhuǎn)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(yīng)用發(fā)展很快的一種吸收型濾波器是目前應(yīng)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 有很高的電阻率，較高的磁導(dǎo)率有很高的電阻率，較高的磁導(dǎo)率( (約為約為100100一一1500) 150

21、0) 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(zhuǎn)變成熱量散發(fā)。它可以等效流卻會受到很大的損耗，轉(zhuǎn)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(dǎo)磁常數(shù)相對導(dǎo)磁常數(shù) 磁性體材料 誘電體材料 High 電 / High 磁 材料材料e e 10 0 10 0 10 1 10 1 10 2 10 2 10 3 10 3 10 4 10 4 10 5 10 5 相對導(dǎo)磁常數(shù): ur 相對介電常數(shù)

22、j 40 41 42 鐵氧體濾波機(jī)理鐵氧體濾波機(jī)理 Z(f） Z(f) R Z L ZfKjK q 在低頻，磁芯的磁導(dǎo)率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是在低頻，磁芯的磁導(dǎo)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(gòu)成。隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)阻抗由電阻成分構(gòu)成。隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo) 率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加。率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加。 當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。 43 44

23、45 電源線濾波器 電源線的傳導(dǎo)騷擾電壓電源線的傳導(dǎo)騷擾電壓 46 共模干擾和差模干擾 c I c I p 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 D p 可看作獨(dú)立干擾來研究可看作獨(dú)立干擾來研究 p 需同時濾波抑制需同時濾波抑制 PGNGPGNG CD U+UUU U =, U= 22 47 c I c I 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 48 49 由于共模電由于共模電 流產(chǎn)生的磁力線流產(chǎn)生的磁力線 方向相同，電感方向相同，電感 增強(qiáng)，感抗增大。增強(qiáng)，感抗增大。

24、 即對共模電流具即對共模電流具 有很強(qiáng)的感抗，有很強(qiáng)的感抗， 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(shí)際濾波器特性實(shí)際濾波器特性 一般產(chǎn)品說明書上給出的數(shù)據(jù)是50條件下的測試結(jié)果。 30MHz 越來越受到關(guān)注越來越受到關(guān)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 52 53 54 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(dǎo)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(xiàng)板上濾波器的注意事項(xiàng) 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(jī)線路板的干凈地與金屬機(jī) 箱或大金屬板緊密搭接箱或大金屬板緊密搭接 為濾波設(shè)置干凈地為濾波設(shè)置干凈地 在接口處設(shè)置檔板在接口處設(shè)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(dāng)?shù)拇善娙莼颡?dú)石電容，引線盡量短。加容量適當(dāng)?shù)拇善娙莼颡?dú)石電容，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器 58 面板安裝濾波器注意事項(xiàng)面