5电源滤波器的设计ppt课件

1、第第5章章 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器刘刘 洋洋应用物理教研室应用物理教研室滤波器的特性滤波器的特性 滤波是抑制传导干扰的一种重要方法滤波是抑制传导干扰的一种重要方法 采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。 滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。电感和电容构成的一种网络。 电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一个非常重要的环节。有时候设计的中的一个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如何会决定整个电器设备是否滤波器性能如何会决定整个电器设备是否能够正常工

2、作。但因为电磁兼容滤波器的能够正常工作。但因为电磁兼容滤波器的设计涉及的知识面非常广，设计出一个性设计涉及的知识面非常广，设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的事情。能较好的滤波器并不是一件容易的事情。 5.1 干扰的分类干扰的分类5.1.1 按噪声产生的原因分类按噪声产生的原因分类放电噪声放电噪声 主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的噪声。大功率开关触点断开等放电产生的噪声。l高频振荡噪声高频振荡噪声l 主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直流直流交流变换器等产生高频振荡时形

3、成交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。的噪声。l浪涌噪声浪涌噪声l 主要是交流系统中电动机启动电流、电炉主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的噪声。闸管变流器等设备产生涌流引起的噪声。l 这些干扰对微机测控系统都有严重影响，这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认真对待，而其中尤以各类开关通、必须认真对待，而其中尤以各类开关通、断电时所产生的干扰最难以抑制或消除。断电时所产生的干扰最难以抑制或消除。 5.1.2 按噪声传导模式分类按噪声传导模式分类 对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪对于传

4、导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共模噪声。声和共模噪声。 差模噪声差模噪声 又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中也称其为串模噪声或常模噪声、横向噪声也称其为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所示，噪声往返于两条线路间，等。如下图所示，噪声往返于两条线路间，N为噪声源，为噪声源，R为受扰设备，为受扰设备，UN为噪声电为噪声电压，噪声电流压，噪声电流IN和信号电流和信号电流IS的路径在往的路径在往返两条线上是一致的。返两条线上是一致的。 差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和信号地线构成的回路中感应出的。由于电信号地线构成

5、的回路中感应出的。由于电缆中的信号线与其地线靠得很近，因此形缆中的信号线与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小，所以外界电磁场感应成的环路面积很小，所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。的差模电流一般不会很大。 在电源线中，差模干扰电流往往是由电网在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他电器的电源发射出的上其他电器的电源发射出的(特别是开关电特别是开关电源源)和感性负和感性负 载通断时产生的载通断时产生的(其幅度往往很大其幅度往往很大)。差模干。差模干扰电流都会直接影响设备的工作，并且，扰电流都会直接影响设备的工作，并且，这种噪声难以除掉。这种噪声难以除掉。共模噪声共模噪声 又叫地感应

6、噪声、纵向噪声或不对称噪声。又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。如下图所示，噪声侵入线路和地线间。噪如下图所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。形成这种干扰电流的原因有中流过。形成这种干扰电流的原因有3个，个，一个是外界电磁场在电缆中的所有导线上一个是外界电磁场在电缆中的所有导线上感应出来电压感应出来电压(这个电压相对于大地是等幅这个电压相对于大地是等幅同相的同相的)，这个电压产生电流；另一个原因，这个电压产生电流；另一个原因是由于电缆两端的设备所接

7、的地电位不同是由于电缆两端的设备所接的地电位不同所致，所致， 在这个地电压的驱动下产生电流；第三个在这个地电压的驱动下产生电流；第三个原因是设备上的电缆与大地之间有电位差，原因是设备上的电缆与大地之间有电位差，这样电缆上会有共模电流。这样电缆上会有共模电流。 从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产生影响，只有当共模电流转变为差模电流生影响，只有当共模电流转变为差模电流(电压电压)时，才会对电路产生影响，这种情况发生在电路时，才会对电路产生影响，这种情况发生在电路不平衡的情况下。不平衡的情况下。 另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电另外，如果设

8、备在其电缆上产生共模电流，则电缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他设备造成干扰。设备造成干扰。 共模噪声转化成差模噪声共模噪声转化成差模噪声 从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。 在上图中，在上图中，N为噪声源，为噪声源，L为负载，为负载，Z1

9、和和Z2是导线是导线1和导线和导线2的对地阻抗。如果的对地阻抗。如果Z1 = Z2，则噪声电压，则噪声电压 VN1和噪声电压和噪声电压VN2相等，从而噪声电流相等，从而噪声电流IN1 和和IN2相等，即噪声电流不流过负载。相等，即噪声电流不流过负载。然而当然而当Z1 Z2 时，则时，则VN1 VN2，从而，从而IN1IN2，于是，于是VN1 - VN2= VN，VN /ZLIN (ZL为负载阻抗为负载阻抗)，这是常模噪声。，这是常模噪声。 因而，当发现常模噪声时，首先考虑它是因而，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于线路不平衡状态而从共模噪声转化否由于线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常，

10、输入输出线与大地或机壳之来的。通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共模噪声，信号线受到间发生的噪声都是共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕共模噪声来研究其有效的抑制措施。绕共模噪声来研究其有效的抑制措施。 5.1.3 按噪声波形及性质分类按噪声波形及性质分类持续正弦波持续正弦波 持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一种典型的周期噪声。最常见的该

11、类噪是一种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是声就是50Hz的工频噪声。这种噪声出现在的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为纹波，出现在声音信号直流电源上表现为纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流声，出现在视频中，表现为惹人烦的交流声，出现在视频影像信号中，为横条干扰。影像信号中，为横条干扰。偶发脉冲电压波形偶发脉冲电压波形 这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。例如雷脉冲宽度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分断电压负载和静电放电等波击波、接点分断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性不明显，在通信信号形。该类噪

12、声周期性不明显，在通信信号中，容易引起突发误码。中，容易引起突发误码。 l脉冲列脉冲列 l 脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲宽度、脉冲序列持续时间等特征值个脉冲宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点分断电感负载和接电反复重表示，如接点分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪声呈现一定的周期性，燃过电压等。该类噪声呈现一定的周期性，能量较大，一般较难消除。能量较大，一般较难消除。l 噪声中的主要能量是由干扰引起的。噪声中的主要能量是由干扰引起的。l消除有用信号中的噪声，从根本上来说，消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要消除或降低干扰对电路

13、的影响。我就是要消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不同的噪声类型，设计或选用们可以针对不同的噪声类型，设计或选用不同的防干扰滤波器。不同的防干扰滤波器。 5.2 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器5.2.1 电磁干扰滤波器的工作原理电磁干扰滤波器的工作原理 电磁干扰滤波器的工作原理与普通滤波器电磁干扰滤波器的工作原理与普通滤波器一样，它能允许有用信号的频率分量通过，一样，它能允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止其他干扰频率分量通过。其方同时又阻止其他干扰频率分量通过。其方式有两种：一种是不让无用信号通过，并式有两种：一种是不让无用信号通过，并把它们反射回信号源；另一种是把无用信把它们反射回信

14、号源；另一种是把无用信号在滤波器里消耗掉。号在滤波器里消耗掉。 5.2.2 电磁干扰滤波器的特殊性电磁干扰滤波器的特殊性 由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通过，所以它与常规滤波器有很大的号的通过，所以它与常规滤波器有很大的不同。不同。 (1)电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及安装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单等优点。结构简单等优点。 (2) 电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要在大电流和

15、电压下长期工作，对有用信号消耗要小，以保证最大传输效率。小，以保证最大传输效率。 (3) 由于电磁干扰的频率是由于电磁干扰的频率是20Hz到几十到几十GHz，故，故难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路。难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路。 (4) 要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比较高的衰减性能。较高的衰减性能。 (5) 干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干扰滤波器出现饱和效应。扰滤波器出现饱和效应。 (6) 电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范围大，很难得到使用稳定的恒

16、定值，所以电磁干围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干扰滤波器很难工作在阻抗匹配的条件下。扰滤波器很难工作在阻抗匹配的条件下。5.2.3 滤波器的主要特性滤波器的主要特性 滤波器最主要的特性参数有额定电压、额滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。损耗以及传输频率特性等。额定电压额定电压 指输入滤波器的最高允许电压值。若输入指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器的电压过高，会使内部电容损坏。滤波器的电压过高，会使内部电容损坏。 额定电流额定电流 指在额定电压和规定环境温度条件下，滤指在额定电压和

17、规定环境温度条件下，滤波器所允许的最大连续工作电流。一般使波器所允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其允许的工作电流越小。同时，用温度越高其允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率有关：工作频率越高，工作电流还与频率有关：工作频率越高，其允许电流越小。其允许电流越小。 p频率特性频率特性 p 滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能力的参数，通常用中心频率、截止频率以力的参数，通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率表示。及上升和下降斜率表示。p输入输出阻抗输入输出阻抗p 从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤波器输出到

18、接收电路的阻抗称为阻抗，滤波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择滤波器需要考虑阻抗匹配，输出阻抗。选择滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。以防止信号衰减。p插入损耗插入损耗p 描述滤波器性能的最主要参量是插入损描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是变。插入损耗的定义是: 式中：式中：V1-信号源通过滤波器在负载阻抗上信号源通过滤波器在负载阻抗上 建立的电压建立的电压(V)； V2-不接滤波器时信号源在同一负载不接滤波器时信号源在同一负载 阻抗上建立的电压阻抗上建立的电压(V)； Lin-插入损耗插入

19、损耗(dB)。 21lg20VVLinp传输频率特性传输频率特性p 滤波器最重要的是其传输频率特性，可滤波器最重要的是其传输频率特性，可用对数幅频特性用对数幅频特性20lgA来表示。在抗干扰技来表示。在抗干扰技术中又称为衰减系数，即术中又称为衰减系数，即:p 衰减系数衰减系数= (单位单位dB)p式中：式中： 滤波器的输出信号，滤波器的输出信号，p 滤波器的输入信号，滤波器的输入信号，p 信号的角频率。信号的角频率。 )()(lg20jUjUiooUiU5.2.4 滤波器的分类滤波器的分类 按滤波器的作用对象分类按滤波器的作用对象分类 根据滤波器的作用对象可以分为电源滤波根据滤波器的作用对象可

20、以分为电源滤波器和信号滤波器。器和信号滤波器。 滤波器的分类滤波器的分类u按滤波器对频率的选择性能来分类，则可分为低按滤波器对频率的选择性能来分类，则可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器通、高通、带通和带阻四种滤波器.u按频带来分，滤波器分为低频、高频、甚高频、按频带来分，滤波器分为低频、高频、甚高频、超高频和微波滤波器超高频和微波滤波器.u按网络中是否含有电源来分，滤波器分为有源和按网络中是否含有电源来分，滤波器分为有源和无源滤波器。无源滤波器。u按组成滤波器的元件特征来分，滤波器分为按组成滤波器的元件特征来分，滤波器分为 LC滤波器，晶体滤波器，机械滤波器，陶瓷滤波器，滤波器，晶体滤波器

21、，机械滤波器，陶瓷滤波器，螺旋滤波器等。螺旋滤波器等。u按滤波器的功能来分，滤波器分为反射滤波器和按滤波器的功能来分，滤波器分为反射滤波器和损耗滤波器两类。损耗滤波器两类。l按照对不需要的信号能量的抑制方式分类按照对不需要的信号能量的抑制方式分类l 按照对不需要的信号能量的抑制方式分类按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。又可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。l5.2.5 反射式滤波器反射式滤波器l带阻滤波器带阻滤波器l 带阻滤波器是指用于对特定窄频带带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此在此频带内可能产生电磁干扰频带内可能产生电磁干扰)内的能量进行衰内的能量进行

22、衰减的一种滤波器。其频率特性如下图所示，减的一种滤波器。其频率特性如下图所示，其中其中C1和和C2为截止频率。带阻滤波器为截止频率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间的抑制器是用作串联在负载和干扰源之间的抑制器件。件。 l带通滤波器带通滤波器l 带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用于对特定窄频带外的能量进行衰减指作用于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。带通滤波器是并接于干扰的一种滤波器。带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电磁干扰信号，达到线和地之间，以消除电磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下图所示，其兼容的目的。其频率特性如下

23、图所示，其中中C1和和C2为截止频率。为截止频率。l 它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。器，仅允许通信信号通过。 l高通滤波器高通滤波器l 在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低通滤波器应用广泛，但也有用途。特别是通滤波器应用广泛，但也有用途。特别是这种滤波器一直被用于从信号通道上滤除这种滤波器一直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制特定的低频外界信号。交流电流频率或抑制特定的低频外界信号。设计高通滤波器时，均采用倒转方法，

24、凡设计高通滤波器时，均采用倒转方法，凡满足倒转原则的低通滤波器可以很方便地满足倒转原则的低通滤波器可以很方便地变成所需要的高通滤波器。倒转原则就是变成所需要的高通滤波器。倒转原则就是将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容器，而每一个电容器换成一个线圈，就可器，而每一个电容器换成一个线圈，就可变成高通滤波器。变成高通滤波器。 高通滤波器用在干扰频高通滤波器用在干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。它的频率特性如下图所示，其中干扰。它的频率特性如下

25、图所示，其中C为截止频率。为截止频率。l低通滤波器低通滤波器 ：它是最常用的一种电磁：它是最常用的一种电磁兼容滤波器，主要用在干扰信号频率兼容滤波器，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。电源线滤比工作信号频率高的场合。电源线滤波器也是低通滤波器，它仅允许波器也是低通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对其他高频干扰信号有的电流通过，对其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤波器的频率特性很大的衰减。低通滤波器的频率特性如下图所示，其中如下图所示，其中C为截止频率。为截止频率。5.2.6 低通滤波器的分类低通滤波器的分类 常用的低通滤波器是用电感和电容组合而常用的低通滤波器是用电感和电容组合

26、而成的，电容并联在滤波器的信号线与信号成的，电容并联在滤波器的信号线与信号地线之间地线之间(滤除差模干扰电流滤除差模干扰电流)或信号线与机或信号线与机壳地或大地之间壳地或大地之间(滤除共模干扰电流滤除共模干扰电流)，电感，电感串联在要滤波的信号线上。串联在要滤波的信号线上。 按照电路结构分，有单电容型按照电路结构分，有单电容型(C型型)、单电、单电感型感型(L型型)、型和反型和反型、型、T型和型和型。不同型。不同结构的滤波电路主要有两点不同：结构的滤波电路主要有两点不同： (1)电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带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的衰减越大，

27、滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。渡带越短。 (2)不同结构的滤波电路适合于不同的源阻不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。抗和负载阻抗。电容滤波器电容滤波器 电容电容C的电抗与频率有关。若设输入量为电的电抗与频率有关。若设输入量为电流流Ic(S)，输出为电压，输出为电压 如下图所示，则如下图所示，则传递函数为：传递函数为： 频率特性为：频率特性为： )(oSUCSSISUSA1)()()(CoCjjIjUjA1)()()(Co对数幅频特性为：对数幅频特性为： 显然，随着频率显然，随着频率 = 滤波器的输出电压衰减逐滤波器的输出电压衰减逐渐增加，起到了低通滤波渐增加，起到了低通滤波效

28、果。其输入输出特性如效果。其输入输出特性如下图下图(d)所示。所示。 滤波器的电容要有耐压高、滤波器的电容要有耐压高、绝缘好、温度系数小和自绝缘好、温度系数小和自谐振频率高等特性。谐振频率高等特性。 CCAlg201lg20)(lg20f2 下列图下列图(a)所示的滤波器结构最简单，所示的滤波器结构最简单，接在干扰源线间能衰减串模噪声；接接在干扰源线间能衰减串模噪声；接在干扰源和地线间能衰减共模噪声；在干扰源和地线间能衰减共模噪声；接在印刷电路板中的直流电源线和地接在印刷电路板中的直流电源线和地线间能抑制电源噪声。线间能抑制电源噪声。下列图下列图(b)中电容中点接地，能够把噪声电流中电容中点接

29、地，能够把噪声电流旁路入地，能消除共模噪声。旁路入地，能消除共模噪声。下列图下列图(c)中的中的C3接在电源线间，这种结构能接在电源线间，这种结构能有效地抑制共模有效地抑制共模(由由C1、C2完成完成)和串模噪和串模噪声声(由由C3完成完成)。l电感滤波器电感滤波器l 电感电感L的电抗与频率有关。若设输入的电抗与频率有关。若设输入量为电流量为电流 输出为电压输出为电压 ，且与，且与电流变化率方向相反，如下图电流变化率方向相反，如下图(a)所示。所示。l则传递函数为则传递函数为l频率特性为频率特性为l对数幅频特性为对数幅频特性为)(LSI)(LSULSSISUSA)()()(LLLjjIjUjA

30、)()()(LLLAlg20)(lg20显然，随着频率显然，随着频率 ，电感线圈两端电压，电感线圈两端电压 将增加。由于电感串联在线路中，因此滤波器将增加。由于电感串联在线路中，因此滤波器的输出的输出 将衰减，起到了滤波的效果。电将衰减，起到了滤波的效果。电感滤波器的输入输出特性如下图感滤波器的输入输出特性如下图(b)所示。所示。f2LULioUUU共模扼流圈共模扼流圈 滤波器中的电感器件应在负载电流情况下滤波器中的电感器件应在负载电流情况下具有不饱和、温度系数小和直流电阻低等具有不饱和、温度系数小和直流电阻低等性质。为了避免负载电流使电感产生饱和，性质。为了避免负载电流使电感产生饱和，可选用

31、共模扼流圈或不易饱和的磁芯线圈。可选用共模扼流圈或不易饱和的磁芯线圈。电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼流圈。流圈。 l RC低通滤波器低通滤波器l 低通滤波器接在电路中，按其结构可分为低通滤波器接在电路中，按其结构可分为L形、形、形和形和T形，如下图所示。它具有滤去高频，而让形，如下图所示。它具有滤去高频，而让低频信号容易通过的性能。低频信号容易通过的性能。l L形形RC低通滤波器低通滤波器 l L形形RC低通滤波器如下图低通滤波器如下图(a)所示。所示。其传递函数为：其传递函数为：其频率特性为：其频率特性为：如果令如果令 则有则有其中，其中， 称为上限

32、截止频率。当称为上限截止频率。当 时，则大时，则大SRCSCRSCSA1111)(1)(1)( 11)(2RCARCjjA；RCf21h21( )1 (/)hAffhffhffhf有衰减，即有衰减，即 每提高每提高10倍，倍， 将下降将下降20dB。 形形RC低通滤波器低通滤波器 形形RC低通滤波器如下图低通滤波器如下图(b)所示。所示。 f)(A其传递函数为：其传递函数为： 由此可以看出，由此可以看出，形与形与L形有相同的衰减系数。实形有相同的衰减系数。实际上，由于信号源不可避免含有内阻，当际上，由于信号源不可避免含有内阻，当形滤形滤波器和信号源连接后，相当于两级波器和信号源连接后，相当于两

33、级L形滤波器串形滤波器串联，对滤波特性将有很大改善。联，对滤波特性将有很大改善。T形形RC低通滤波器低通滤波器 T形形RC低通滤波器结构如下图低通滤波器结构如下图(c)所示。所示。 11)()1()(1)()()(iOSRCSISCRSISCSUSUSA 为了求其传递函数，可根据电工学中星形为了求其传递函数，可根据电工学中星形三角形变换公式，如下图所示，三角形变换公式，如下图所示， 图(a)变换成图(b)时，有： cbaaccacbacbbccbabaabYYYYYYYYYYYYYYYYYY* * *； 根据上面公式，图根据上面公式，图(c)变换成图变换成图(d)时，有：时，有： 于是求得于是

34、求得T形滤波器的传递函数为：形滤波器的传递函数为：SCRSCSCRSCRRZSCRRSCRY2*111 11*133；)2(2 111*1211SRCRSCRRZSCRRRRY；112)2(2)()()(*)()()(313313ioSRCSCRSRCRSCRZZZSIZZSIZSUSUSA 由此可以看出，由此可以看出，T形形RC滤波器与滤波器与L形形RC滤滤波器有相同的滤波特性。实际上往往将波器有相同的滤波特性。实际上往往将T形形滤波器用于负载阻抗小的情况，这比应用滤波器用于负载阻抗小的情况，这比应用L形和形和形滤波器时的负载电流要小得多，减形滤波器时的负载电流要小得多，减轻了信号源的负担。

35、轻了信号源的负担。 上述上述3种形式的种形式的RC滤波器制造简单，价格滤波器制造简单，价格便宜，体积小，对外界的磁场变化敏感低，便宜，体积小，对外界的磁场变化敏感低，广泛用于信号传输线路中的噪声抑制。广泛用于信号传输线路中的噪声抑制。 lLC低通滤波器低通滤波器l 对于下图对于下图 (a) 所示电路结构，若设电感所示电路结构，若设电感L的直流电阻为的直流电阻为R，l 则传递函数为：则传递函数为： 其频率特性为：其频率特性为：幅频特性为：幅频特性为： 11)()1()(*1)()()(2ioSRCLCSSISCRSLSISCSUSUSALCRCjjA211)(222)1 ()(1)(LCRCA2

36、22)1 ()(lg20)(lg20LCRCA为了便于和为了便于和RC低通滤波器相比较，设低通滤波器相比较，设 那么那么当当 时，则有时，则有 RC1LC101)(lg20)(lg202RCALC1222)()(lg20)(lg20LCRCA22)(lg20LCLC2lg20如果令如果令 那么那么 由此可见，由此可见，LC低通滤波器比低通滤波器比RC低通滤波器有更低通滤波器有更好的滤波性能。但是制造电感线圈比较麻烦，不好的滤波性能。但是制造电感线圈比较麻烦，不利于大规模生产，也不便于集成化和小型化，使利于大规模生产，也不便于集成化和小型化，使其应用范围受到局限。其应用范围受到局限。形形LC低通

37、滤波器低通滤波器 其结构如下图其结构如下图(b)所示，其传递函数为：所示，其传递函数为： LC10202LC0lg40)(lg20A11)()1()(*1)()()(2ioSRCLCSSISCRSLSISCSUSUSA 由此可见，由此可见，形与形与L形有相同的衰减系数。形有相同的衰减系数。实际上，由于信号源不可避免含有内阻，实际上，由于信号源不可避免含有内阻，当当形滤波器和信号源连接后，相当于形滤波器和信号源连接后，相当于L形形RC滤波器和滤波器和LC滤波器串联，有效地改善了滤波器串联，有效地改善了滤波特性。滤波特性。T形形LC低通滤波器低通滤波器 根据电工学中星形三角形变换原理，将根据电工学

38、中星形三角形变换原理，将T形形电路滤波器变换成电路滤波器变换成形电路，如下图所示。形电路，如下图所示。 设图中Z1、Z3对应的电导抗为Y1和Y3，则T形LC低通滤波器的传递函数按下述步骤求出： 因为： 所以 1331313313/11/11)()()(*)(YYZZZZZSIZZSIZSA)(1*1*113RSLSCSLRSLRSCSLRYY111)(1)(2SRCLCSRSLSCSA 由此可见，由此可见，T形滤波器与形滤波器与L形滤波器有相同形滤波器有相同的滤波特性。实际上往往将的滤波特性。实际上往往将T形滤波器用于形滤波器用于负载阻抗小的情形，这比应用负载阻抗小的情形，这比应用L形、形、形

39、滤形滤波器时负载电流小，有效减轻了信号源的波器时负载电流小，有效减轻了信号源的负担。负担。5.2.7 低通滤波器的结构选择低通滤波器的结构选择 由上节分析可知，由上节分析可知，L形、形、形和形和T形滤波器具形滤波器具有相同的衰减系数，这是在没有考虑输入、有相同的衰减系数，这是在没有考虑输入、输出效应情况下讨论的。实际上系统的输输出效应情况下讨论的。实际上系统的输入、输出效应总是客观存在的，即信号源入、输出效应总是客观存在的，即信号源总是有内阻抗，负载总是有输入阻抗，要总是有内阻抗，负载总是有输入阻抗，要根据信号源的内阻和负载阻抗来选择低频根据信号源的内阻和负载阻抗来选择低频滤波器的电路结构形式

40、，如下图所示。滤波器的电路结构形式，如下图所示。 关于滤波器设计的几个概念关于滤波器设计的几个概念u滤波器的零点。滤波器的零点。u滤波器的极点。滤波器的极点。u滤波器的频率归一化：滤波器的频率归一化：u 归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为纯量。比如，复数阻抗可以归一化书写：纯量。比如，复数阻抗可以归一化书写：Z = R + jL = R(1 + jL/R) ，注意复数部分变成了纯数，注意复数部分变成了纯数量了，没有任何量纲。另外，微波之中也就是电量了，没有任何量纲。

41、另外，微波之中也就是电路分析、信号系统、电磁波传输等，有很多运算路分析、信号系统、电磁波传输等，有很多运算都可以如此处理，既保证了运算的便捷，又能凸都可以如此处理，既保证了运算的便捷，又能凸现出物理量的本质含义。现出物理量的本质含义。 5.2.8 低通滤波器的平衡结构与串联形式低通滤波器的平衡结构与串联形式 低通滤波器一般采用对称结构，以保证线低通滤波器一般采用对称结构，以保证线路平路平 衡，这有利于抑制共模干扰信号，如下图衡，这有利于抑制共模干扰信号，如下图所示。所示。 低通滤波器为了改善选频特性，可以实行低通滤波器为了改善选频特性，可以实行级间串联。但前面在讨论滤波器的传递函级间串联。但前

42、面在讨论滤波器的传递函数和频率特性时，都没有考虑滤波器的负数和频率特性时，都没有考虑滤波器的负载的影响，即在没有负载电流情况下讨论载的影响，即在没有负载电流情况下讨论的。但级联以后，由于后级成为前级的负的。但级联以后，由于后级成为前级的负载，导致总的频率特性与单级不同。下图载，导致总的频率特性与单级不同。下图为两级为两级RC低通滤波器的串联，后级成为前低通滤波器的串联，后级成为前级的负载。级的负载。传递函数为若设 则有：求解传递函数的特征方程，即那么 1)(1)(21221122121SCRCRCRSCCRRSATCRCRCRCCRR2122112121,131)(22TSSTSA01322

43、TSSTTTTTTS25324932222, 1 这说明在某一频率下可能发生振荡。由此可以看这说明在某一频率下可能发生振荡。由此可以看出，原来两个独立的一阶出，原来两个独立的一阶RC滤波器，串联后成了滤波器，串联后成了二阶网络。频率特性变化的根本原因是后级成了二阶网络。频率特性变化的根本原因是后级成了前级的负载。前级的负载。 若使后级的若使后级的RC阻抗增大，对前级造成的负载效应阻抗增大，对前级造成的负载效应忽略不计，则形成了两个独立的网络串联，分析忽略不计，则形成了两个独立的网络串联，分析起来十分方便，如下图起来十分方便，如下图( a )所示，后级的阻抗为所示，后级的阻抗为后级的阻抗是前级阻

44、抗的后级的阻抗是前级阻抗的m倍。倍。如下图如下图(b)所示，由于忽略了负载效应，所示，由于忽略了负载效应，同理可得同理可得222222221CRmCmRmZm11)()1()(*1)()(112SRCSISCRSISCSUSUi1111)()(23SRCMCSMRSUSU令 那么1111)()(223SRCMCRSMSUSUoRCT 1lg60)()(lg2022TjUjUio 由此可得出结论：由此可得出结论：当当RC低通滤波器串联工作时，若后级的电阻低通滤波器串联工作时，若后级的电阻是前级的是前级的m倍，其电容应减小为前级电容倍，其电容应减小为前级电容的的l/m，那么当频率超过截止频率时，那

45、么当频率超过截止频率时，一级滤波器衰减一级滤波器衰减20dB/十倍频程，十倍频程，二级滤波器衰减二级滤波器衰减40dB/十倍频程，十倍频程，三级滤波器衰减为三级滤波器衰减为60dB/十倍频程。十倍频程。级数越多，衰减系数也就越大。级数越多，衰减系数也就越大。5.3 常用滤波器元件常用滤波器元件5.3.1 电容器电容器实际电容器的特性实际电容器的特性 电容器是基本的滤波器件，在低通滤波器电容器是基本的滤波器件，在低通滤波器中作为旁路器件使用。利用它的阻抗随频中作为旁路器件使用。利用它的阻抗随频率升高而降低的特性，起到对高频干扰旁率升高而降低的特性，起到对高频干扰旁路的作用。但是，在实际使用中一定

46、要注路的作用。但是，在实际使用中一定要注意电容器的非理想性。意电容器的非理想性。 (1)实际电容器的等效电路实际电容器的等效电路 实际电容器的电路模型如下图所示，它是实际电容器的电路模型如下图所示，它是由等效电感由等效电感(ESL)、电容和等效电阻、电容和等效电阻(ESR)构成的串联网络。电感分量是由引线和电构成的串联网络。电感分量是由引线和电容结构所决定的，电阻是介质材料所固有容结构所决定的，电阻是介质材料所固有的。的。 电感分量是影响电容频率特性的主要指标，电感分量是影响电容频率特性的主要指标，因而，在分析实际电容器的旁路作用时，因而，在分析实际电容器的旁路作用时，用用LC串联网络来等效。

47、串联网络来等效。 (2)对滤波特性的影响对滤波特性的影响 实际电容器的特性如下页图所示，发生串实际电容器的特性如下页图所示，发生串联谐振时电容的阻抗最小，旁路效果最好。联谐振时电容的阻抗最小，旁路效果最好。 超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗的特性的特性随频率的升高而增加，旁路效果开始随频率的升高而增加，旁路效果开始变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始失去旁路作用。失去旁路作用。 理想电容的阻抗是随着频率的升高而降低，理想电容的阻抗是随着频率的升高而降低，而实际电容的阻抗具有如上图所示的频率而实际

48、电容的阻抗具有如上图所示的频率特性，在频率较低时，呈现电容特性，即特性，在频率较低时，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加而降低，在某一点发生阻抗随频率的增加而降低，在某一点发生谐振，在这点电容的阻抗等于等效串联电谐振，在这点电容的阻抗等于等效串联电阻阻ESR。在谐振点以上，由于。在谐振点以上，由于ESL的作用，的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，这是电电容阻抗随着频率的升高而增加，这是电容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上，容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上，由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作用减弱，甚至消失。旁路作用减弱，甚至消失。 电容的谐振频率由

49、电容的谐振频率由ESL和和C共同决定，电容共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也就值或电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。是电容的高频滤波效果越差。 ESL除了与电容器的种类有关外，电容的除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个十分重要的参数，引线越引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。长，则电感越大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中，要使电容器的引线尽因此在实际工程中，要使电容器的引线尽量短，电容器的正确安装方法和不正确安量短，电容器的正确安装方法和不正确安装方法如下图所示。装方法如下图所示。 (3)温度的影响温度的

50、影响 由于电容器中的介质参数受到温度变化的由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响，因此电容器的电容值也随着温度变影响，因此电容器的电容值也随着温度变化。不同的介质随温度变化的规律不同，化。不同的介质随温度变化的规律不同，有些电容器的容量当温度升高时会减小有些电容器的容量当温度升高时会减小70%以上，常用的滤波电容为瓷介质电容，以上，常用的滤波电容为瓷介质电容，瓷介质电容器有超稳定型：瓷介质电容器有超稳定型：COG或或NPO，稳定型：稳定型：X7R，和通用型：，和通用型：Y5V或或Z5U共共3种。不同介质的电容器的温度特性如下图种。不同介质的电容器的温度特性如下图所示。所示。 (4)电压的影响

51、电压的影响 电容器的电容量不仅随着温度变化，还会电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工作电压变化，这一点在实际工程中随着工作电压变化，这一点在实际工程中必须注意。不同介质材料的电容器的电压必须注意。不同介质材料的电容器的电压特性如图特性如图5.24所示。从图中可以看出，所示。从图中可以看出，X7R电容器在额定电压状态下，其容量降电容器在额定电压状态下，其容量降为原始值的为原始值的70%，而，而Y5V电容器的容量降电容器的容量降为原始值的为原始值的30%。 综合考虑温度和电压的影响时，电容的变综合考虑温度和电压的影响时，电容的变化如下图所示。化如下图所示。l 电容器的种类及选用电容器的种类及

52、选用 l (1)按介质材料分类按介质材料分类l 云母电容器云母电容器(CY)l 纸介电容器纸介电容器(CZ)l 陶瓷电容器陶瓷电容器(CC)l 塑料介质电容器塑料介质电容器(CB和和CL)l 电解电容器电解电容器(CD)l (2) 按接入方式分类按接入方式分类l 三端电容器三端电容器 l 穿心电容器穿心电容器 l 片状电容器片状电容器 l 电容器使用注意事项电容器使用注意事项l 注意电容器的耐压；注意环境温度；注意电容器的耐压；注意环境温度；注意电解电容器极性；注意电容器产生的注意电解电容器极性；注意电容器产生的干扰噪声干扰噪声l 电容器的型号及容量表示法电容器的型号及容量表示法l 电容器的型

53、号一般由四部分组成。电容器的型号一般由四部分组成。l 第一部分：主称第一部分：主称(用字母用字母C表示表示)。l 第二部分：资料第二部分：资料(用字母表示用字母表示)，例如：，例如：Z纸介；纸介；Y云母；云母；C瓷介；瓷介；B聚苯乙烯；聚苯乙烯；L涤纶；涤纶；D铝铝(电解电解)；A钽钽(电解电解)。 第三部分：分类第三部分：分类(一般用数字表示，个别类型用字一般用数字表示，个别类型用字母表示母表示)，例如：电容器，例如：电容器(云母、有机云母、有机) 1，2非非密封；密封；3，4密封。密封。 第四部分：序号第四部分：序号(用数字表示用数字表示)。电容器的单位以。电容器的单位以F、F、nF和和p

54、F表示。它们之间的关系是表示。它们之间的关系是l F103mF106F；1F103nF106pF。因而，。因而，1F10-6 F，1 nF10-9F，1 pF10-12F。国。国际电工委员会规定电容量的表示法为：际电工委员会规定电容量的表示法为：m 代表代表 103, 代表代表10-6，n代表代表10-9，p代表代表10-12。用二。用二位数字表示有效数字，再用一个字母表示数值的位数字表示有效数字，再用一个字母表示数值的量级。如量级。如1p21.210121.2pF，220n22010-90.2210-60.22F，333.310-63.3F，2m22.210-3220010-62200F。

55、另一种表示方法是用另一种表示方法是用3位有效数字表示电容量，最位有效数字表示电容量，最后用一个字母表示误差。后用一个字母表示误差。3位数字中的前两位表位数字中的前两位表示有效值，第三位表示示有效值，第三位表示10n的的n值，值，n = l8，特，特殊情况殊情况n9时，不表示时，不表示109。而表示为。而表示为 101。 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 = 22 000pF = 0.022F “474表示表示47104 = 470 000pF = 0.47F “159表示表示

56、15l01pF = l.5pF 有效数字后面的字母表示误差值，由于制造电容有效数字后面的字母表示误差值，由于制造电容的材料不同，误差范围也不同，有的误差很大。的材料不同，误差范围也不同，有的误差很大。 5.3.2 电感电感实际电感的特性实际电感的特性 一段导线就构成了一个电感。要获得一段导线就构成了一个电感。要获得较大的电感量，需要将导线绕成线圈。较大的电感量，需要将导线绕成线圈。线圈的芯材可以有两种，一种是非磁线圈的芯材可以有两种，一种是非磁性的性的(空气空气)，一种是磁性的。磁性磁芯，一种是磁性的。磁性磁芯又有闭合磁路的和开放磁路的。又有闭合磁路的和开放磁路的。 实际电感的等效电路、频率特

57、性如下实际电感的等效电路、频率特性如下图所示。图所示。5.3.3 铁氧体铁氧体EMI抑制元件抑制元件铁氧体的特性铁氧体的特性 导线穿过铁氧体磁芯构成的电感的阻导线穿过铁氧体磁芯构成的电感的阻抗虽然在形式上是随着频率的升高而抗虽然在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率上，其机理是增加，但是在不同频率上，其机理是完全不同的。铁氧体的等效电路在低完全不同的。铁氧体的等效电路在低频和高频时是不同的。低频时是一个频和高频时是不同的。低频时是一个电感，高频时是随频率变化的电阻。电感，高频时是随频率变化的电阻。 当穿过铁氧体的导线中流过电流时，会在铁氧体当穿过铁氧体的导线中流过电流时，会在铁氧体磁芯

58、中产生磁场，当磁场的强度超过一定量值时，磁芯中产生磁场，当磁场的强度超过一定量值时，磁芯发生饱和，磁导率急剧降低，电感量减小。磁芯发生饱和，磁导率急剧降低，电感量减小。因而，当滤波器中流过较大的电流时，滤波器的因而，当滤波器中流过较大的电流时，滤波器的低频插入损耗会发生变化。高频时，磁芯的磁导低频插入损耗会发生变化。高频时，磁芯的磁导率已经较低，并且高频时主要靠磁芯的损耗特性率已经较低，并且高频时主要靠磁芯的损耗特性工作，因而，电流对滤波器的高频特性影响不大。工作，因而，电流对滤波器的高频特性影响不大。铁氧体的应用铁氧体的应用 铁氧体的应用主要有以下铁氧体的应用主要有以下3方面：方面： (1)

59、 低电平信号应用；低电平信号应用； (2) 电源变换与滤波；电源变换与滤波； (3) 电磁骚扰抑制。电磁骚扰抑制。 l 铁氧体铁氧体EMI抑制元件的应用抑制元件的应用l 铁氧体抑制元件广泛应用于铁氧体抑制元件广泛应用于PCB、电源、电源线和数据线和数据l 线上。线上。l (1)铁氧体铁氧体EMI抑制元件在抑制元件在PCB上的应上的应用用l (2)铁氧体铁氧体EMI抑制元件在电源线上的应抑制元件在电源线上的应用用l (3)铁氧体抑制元件在信号线上的应用铁氧体抑制元件在信号线上的应用l 铁氧体铁氧体EMI抑制元件的选择抑制元件的选择l 铁氧体抑制元件有多种材料、形状和尺铁氧体抑制元件有多种材料、形

60、状和尺寸供选择。寸供选择。l 为选择合适的抑制元件，使其对噪音的为选择合适的抑制元件，使其对噪音的抑制更有抑制更有l 效，设计者必须知道需要抑制的效，设计者必须知道需要抑制的EMI信信号的频率号的频率l 和强度、要求抑制的效果即插入损耗值和强度、要求抑制的效果即插入损耗值以及允许以及允许l 占用的空间，包括内径、外径和长度尺占用的空间，包括内径、外径和长度尺寸。寸。 铁氧体抑制元件选择的原则是，在使用空间允许铁氧体抑制元件选择的原则是，在使用空间允许的条件下，选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的的条件下，选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制元件。铁氧体抑制元件。铁氧体铁氧体EMI抑制元件的安