第4章-滤波技术

1、1第第4章章 滤波技术滤波技术2 滤波技术是抑制电气、电子设备传导干扰的主要手段之一，也是提高电子设备抗传导干扰的重要措施。 滤波器的作用: 允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必须的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减为最少。34.1 4.1 电磁干扰（电磁干扰（EMIEMI）滤波器）滤波器 滤波器的构成: 由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的具有选频作用二端口网络。 滤波器的通带: 无衰减地通过滤波器的频率段。 滤波器的阻带: 通过滤波器时受到很大衰减地的频率段。44.1 4.1 电磁干扰（电磁干扰（EMIEMI）滤波器）滤波器5EMI滤波器的作用作用: 切断干扰沿信号线或

2、电源线传播的路径切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。信号滤波器电源滤波器6显然，当显然，当 时，时，IL大于零，大于零，IL越大，滤波效果越好越大，滤波效果越好21VV滤波器的插入损耗滤波器的插入损耗7 4.2 滤波器的分类及特性8n频率范围宽n 阻抗不确定频率范围宽，过渡带窄；频率范围宽，过渡带窄； 阻抗不确定，变化范围宽阻抗不确定，变化范围宽9 按频率特性分类按频率特性分类 10衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率截止频率11 干扰滤波器多为干扰滤波器多为低通低通滤波器滤波器 因为因为q电磁干扰大多频率较高的信号，因为

3、频率越高的信号电磁干扰大多频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合越容易辐射和耦合q 数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，防止对其它电路产生干扰。必须滤除，防止对其它电路产生干扰。q 电源线上的杂波有较高频率较高电源线上的杂波有较高频率较高q频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重12 低通低通/ /反射反射滤波器类型滤波器类型型C 型型T型L型反型q 电容并联电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间（滤除差模干扰电流）或信号线在要滤波的信号线与信号地线之间（滤除差模干扰电流）

4、或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流），与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流），电感串联电感串联在要滤波的信号线上。在要滤波的信号线上。q 电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。过渡带越短。q 不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。1320406080100 fc 10fc 100fc 1000fc 5阶阶 4阶阶 3阶阶 2阶阶 1阶阶20N/十倍频程十倍频程6N/倍频程倍频程插入损耗插入损耗dB过渡带与器件数量的关系

5、过渡带与器件数量的关系 每增加一个器件，过渡带的每增加一个器件，过渡带的斜率斜率增加增加 20dB/20dB/十倍频程，十倍频程，或或 6dB/6dB/倍频程。倍频程。14 确定滤波器阶数50 100欲衰减欲衰减20dB4 6=24 20截止频率距干扰频率较近，故截止频率距干扰频率较近，故至少至少4阶滤波器。阶滤波器。10 1001 20 = 20截止频率距干扰频率较近，故截止频率距干扰频率较近，故1 1阶滤波器就可以了，为了保险，阶滤波器就可以了，为了保险，可用可用2 2阶。阶。欲衰减欲衰减20dBL、C的数值决定截止频率的数值决定截止频率阶数决定过渡带的陡度阶数决定过渡带的陡度结论：结论：

6、L、C的数值决定截止频率，阶数决定过渡带的陡度的数值决定截止频率，阶数决定过渡带的陡度15 根据阻抗选用滤波电路根据阻抗选用滤波电路 规律：电容对高阻，电感对低阻规律：电容对高阻，电感对低阻16n网络解释：滤波器看作二端口网络，反射系数在输入和输出端分别为 LoutLoutoutZZZZinsinsinZZZZ 源阻抗源阻抗 电路结构电路结构 负载阻抗负载阻抗 高高 C、 、多级、多级 高高 高高 、多级、多级 低低 低低 反反 、多级反、多级反 高高 低低 L、多级、多级L 低低17器件参数的确定器件参数的确定LCRR L = R / 2FC C = 1 / 2RFC对于T形（多级T）和 形

7、（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2，中间的不变。巴特沃斯，切比雪夫，贝塞尔等方式巴特沃斯，切比雪夫，贝塞尔等方式18实际电容器的特性实际电容器的特性ZC理想电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器 电容量 谐振频率(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实际电容实际电容1/2 LCCLES巧用谐振点巧用谐振点1920克服电容克服电容非非理想性的方法理想性的方法 大大容容量量 频率频率衰减衰减小电容大电容大电容并联电容小容量小容量v 美中不足美中不足：在大电容

8、的谐振频率和小电容的谐振频率之间，大电容呈在大电容的谐振频率和小电容的谐振频率之间，大电容呈现电感特性（阻抗随频率升高增加），小电容呈现电容特性，实际是一个现电感特性（阻抗随频率升高增加），小电容呈现电容特性，实际是一个LC并联网络。这个并联网络。这个LC并联网络在会在某个频率上发生并联谐振，导致其阻并联网络在会在某个频率上发生并联谐振，导致其阻抗为无限大，这时电容并联网络实际已经失去旁路作用。如果刚好在这个频抗为无限大，这时电容并联网络实际已经失去旁路作用。如果刚好在这个频率上有较强的干扰，就会出现干扰问题。若将大、中、小三种容值的电容并率上有较强的干扰，就会出现干扰问题。若将大、中、小三种

9、容值的电容并联起来使用，会有更多的谐振点，滤波器在更多的频率上失效。联起来使用，会有更多的谐振点，滤波器在更多的频率上失效。 q 简单的方案简单的方案：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频。21 三端电容器的原理三端电容器的原理引线电感与电容一引线电感与电容一起构成了一个起构成了一个T形形低通滤波器低通滤波器在引线上安装两个在引线上安装两个磁珠滤波效果更好磁珠滤波效果更好地线电感起地线电感起着不良作用着不良作用三端电容普通电容普通电容 30 702060401GHzq 三端电容（比较流行的方法）：一个电极上的两根引线串联在需要滤波的三

10、端电容（比较流行的方法）：一个电极上的两根引线串联在需要滤波的导线中。导线中。导线电感与电容构成了一个导线电感与电容构成了一个T形滤波器，消除了一个电极上的串联电形滤波器，消除了一个电极上的串联电感感。三端电容比普通电容具有更高的谐振频率和滤波效果。三端电容比普通电容具有更高的谐振频率和滤波效果。并并可在三端电容两可在三端电容两个相连的引线上套两个铁氧体磁主，进一步提高个相连的引线上套两个铁氧体磁主，进一步提高T形滤波器的效果。形滤波器的效果。衰减谐振频率后移谐振频率后移22 三端电容器的不足寄生电容造成输入寄生电容造成输入 端、输出端耦合端、输出端耦合接地电感造成旁接地电感造成旁路效果下降路

11、效果下降q 中间的接地线越短越好，中间的接地线越短越好，避免两侧的引线的平行部分避免两侧的引线的平行部分过长，否则高频滤波效果会过长，否则高频滤波效果会打很大折扣。打很大折扣。 q 制约着其高频效果的制约着其高频效果的两个因素：寄生电容耦合，两个因素：寄生电容耦合，接地线的电感。三端电容接地线的电感。三端电容的滤波效果一般在的滤波效果一般在300MHz300MHz以下。以下。23 穿心电容更胜一筹金属板隔离输金属板隔离输入输出端入输出端 一周接地，一周接地，电感很小电感很小q 接地电感小接地电感小：当穿心电容的外客与面板之间在：当穿心电容的外客与面板之间在360的范围内连接时，连接电的范围内连

12、接时，连接电感是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。感是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。q 输入输出没有耦合输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，使滤波：用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，使滤波器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的电容耦合现象。器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的电容耦合现象。 穿心电容的滤波范围可以达到数穿心电容的滤波范围可以达到数GHzGHz以上以上24穿心电容的滤波范围可以达到数穿心电容的滤波范围可以达到数GHzGHz以上以上2526穿心电容的插入损耗穿心电容的插入损耗穿心电容穿心电

13、容插入损耗插入损耗频率频率1GHz普通电容普通电容理想电容理想电容q 穿心电容的阻抗接近理想电容，穿心电容的阻抗接近理想电容，只是在某个频率会出现一个凹陷。只是在某个频率会出现一个凹陷。2728实际电感器的特性 电感量电感量 （ H） 谐振频率谐振频率 (MHZ) 3.445 8.828 685.7 1252.6 5001.2f 绕在铁粉芯上的电感绕在铁粉芯上的电感ZL理想电感实际电感1/2 LCLC2930电感寄生电容的来源电感寄生电容的来源每圈之间的电容每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容导线与磁芯之间的电容CTC磁芯为导体时，磁芯为导体时，CTC为主要因素，为主要因素，磁芯为非导体

14、时，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。为主要因素。CTCCTT31磁芯磁芯/ /绕线方式绕线方式对寄生电容的影响对寄生电容的影响铁粉芯铁粉芯(非导电）非导电） C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌）铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4%q 铁粉芯作磁芯时，由于它不导电，不仅寄生电容很小，而且当将绕线方式改为铁粉芯作磁芯时，由于它不导电，不仅寄生电容很小，而且当将绕线方式改为松散绕制时，电容下降了将近松散绕制时，电容下降了将近20%。q 用锰锌铁氧体作磁芯时，由于这种材料导电率较高，不仅电容量较大，而且与用锰锌铁氧体作磁芯时，由于这种材料导电率较高，

15、不仅电容量较大，而且与绕线方式关系不大。绕线方式关系不大。绕线方式绕线方式32 减小电感寄生电容的方法然后：然后：起始端与终止端远离（夹角大于起始端与终止端远离（夹角大于40度）度）尽量单层绕制，并增加匝间距离尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，多层绕制时， 采用采用“渐进渐进”方式绕，不要来回绕。方式绕，不要来回绕。如果磁芯是导体，首先：如果磁芯是导体，首先：用介电常数用介电常数低低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离33分组绕制分组绕制 ：（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）：（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）n 总电容是两寄生电容的串联，

16、总容量比每段的寄生容量小总电容是两寄生电容的串联，总容量比每段的寄生容量小n电感分解成较大的电感和较小电感的串联，使电感的带宽扩展。电感分解成较大的电感和较小电感的串联，使电感的带宽扩展。代价是体积和成本。并引入了额外的串联谐振点。谐振点上阻抗很小。代价是体积和成本。并引入了额外的串联谐振点。谐振点上阻抗很小。34 电感磁芯的选用电感磁芯的选用 锰锌：锰锌： r = 500 10000，R = 0.1100 m铁粉磁芯：不易饱和、铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低导磁率低，作差模扼流圈的磁芯，作差模扼流圈的磁芯铁氧体：最常用铁氧体：最常用镍锌：镍锌： r = 10 100，R = 1k 1M m超微

17、晶：超微晶： r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心，做大电感量共模扼流圈的磁心v 空心线圈的电感量很小，使用导磁率空心线圈的电感量很小，使用导磁率较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。 35 电感量与饱和电流的计算电感量与饱和电流的计算SD1D2饱和电流： Imax = Bmax S (D1-D2)/2L电感量： L （nH）= 0.2 N2 r S(mm) ln (D1/D2)电感量电感量厂家手册给出厂家手册给出 厂家经常给出每匝的电感量厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则，则 L （nH）= AL N2 当电感磁芯发生饱和时，电感量变小，失去对干扰的

18、抑制当电感磁芯发生饱和时，电感量变小，失去对干扰的抑制作用。若额定电流大于作用。若额定电流大于饱和电流（饱和电流（I Imax），就会发生饱和，），就会发生饱和，需要调整磁芯的尺寸需要调整磁芯的尺寸（D1，2 /S），使额定电流小于，使额定电流小于I Imax 3637利用共模扼流圈利用共模扼流圈避免电感饱和避免电感饱和p 这种电感只对共模干扰电流有抑制作用，而对差模电这种电感只对共模干扰电流有抑制作用，而对差模电流没有影响，因此叫流没有影响，因此叫共模扼流圈共模扼流圈。q 寄生差模电感的好处：部分漏磁产生差模电感。寄生寄生差模电感的好处：部分漏磁产生差模电感。寄生差模电感的存在可以对差模干扰

19、有一定的抑制作用。在差模电感的存在可以对差模干扰有一定的抑制作用。在设计滤波器时，可以将这种因素考虑进来。设计滤波器时，可以将这种因素考虑进来。 有意增加漏磁，有意增加漏磁， 利用差模电感利用差模电感38吸收式滤波器吸收式滤波器q吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内吸收躁声吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内吸收躁声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。q铁氧体铁氧体吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种低通滤低通滤波器波器。铁氧体是一种由铁、镜、锌氧化物混合而成，具。铁氧体是一种由铁、镜、锌氧化物混合而成，具有很

20、高的电阻率，较高的磁导率有很高的电阻率，较高的磁导率( (约为约为100100一一1500) 1500) 磁性磁性材料。材料。低频电流可以几乎无衰减地通过铁氧体，高频电低频电流可以几乎无衰减地通过铁氧体，高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。它可以等效流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。它可以等效为电阻和电感的为电阻和电感的串联串联。电阻值和电感量都是随着。电阻值和电感量都是随着频率频率而而变化的变化的39铁氧体的铁氧体的相对导磁常数相对导磁常数磁性体材料诱电体材料High 电 / High 磁 材料材料e e100100101101102102103103104104105105 相

21、对导磁常数: ur相对介电常数 j 404142铁氧体滤波机理铁氧体滤波机理 Z(f）Z(f)RZL Z fKjKq 在低频，磁芯的磁导率较高，磁芯的损耗较小，整个器件是在低频，磁芯的磁导率较高，磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高一个低损耗、高Q特性的电感。特性的电感。q 在高频，在高频，阻抗由电阻成分构成。随着频率升高，磁芯的磁导阻抗由电阻成分构成。随着频率升高，磁芯的磁导率降低，磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。率降低，磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。 4

22、34445 电源线滤波器电源线的传导骚扰电压电源线的传导骚扰电压46 共模干扰和差模干扰cIcIp 相中（相中（UPG），中地（），中地（ UN G）共模电流共模电流 I C， 相中（相中（UPN）差模电路差模电路 I Dp 可看作独立干扰来研究可看作独立干扰来研究p 需同时滤波抑制需同时滤波抑制PGNGPGNGCDU+UUUU =, U=2247cIcI电源线滤波器的基本电路共模扼流圈共模扼流圈差模电容差模电容共模电容共模电容4849 由于共模电由于共模电流产生的磁力线流产生的磁力线方向相同，电感方向相同，电感增强，感抗增大。增强，感抗增大。即对共模电流具即对共模电流具有很强的感抗，有很强的

23、感抗，故称之为故称之为共模扼共模扼流圈流圈。50损耗频率频率理想滤波器特性理想滤波器特性实际滤波器特性实际滤波器特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。30MHz越来越受到关注越来越受到关注电源线滤波器的特性51或精心绕制或多个电感串联精心绕制或多个电感串联改善滤波器高频特性的方法525354信号滤波器的安装信号滤波器的安装板上滤波器板上滤波器在无屏蔽的场在无屏蔽的场合：合： 滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上有屏蔽的场合：在屏蔽界面上55板上滤波器的注意事项板上滤波器的注意事项滤波器要并排安装滤波器要并排安装线路板的干净地与金属机线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接箱或大金属板紧密搭接为滤波设置干净地为滤波设置干净地在接口处设置档板在接口处设置档板滤波器靠近接口滤波器靠近接口56面板上滤波的简易（临时）方法加容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短。加容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短。57电缆滤波的方法电缆滤波的方法连接器连接器屏蔽盒屏蔽盒馈通滤波器馈通滤波