第六章滤波技术课件

1、第六章 滤波技术6.1 电磁干扰滤波器的特性和分类6.2 插入损耗的计算方法6.3 反射式滤波器6.4 电容、电感的高频特性6.5 有源滤波器6.6 吸收式滤波器6.7 反射-吸收组合式滤波器6.8 电源滤波器6.9 滤波器的选择和使用将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两个频段，剔除干扰频率分量部分。滤波的目的：抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平，同时还可以保证设备整体或局部屏蔽效能。滤波的实质：是选择信号和抑制干扰。为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。 滤波的基本用途：滤波器作用：选择信号，抑制传导干扰工作原理： 在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，

2、能量容易通过。在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。 信号滤波器 电源滤波器a 满足电源线干扰发射和抗扰度要求b 满足信号线抗扰度及设备辐射发射要求需要实施滤波的情况：在高频系统中，抑制工作频带以外的任何频带上的干扰；在各种信号电路中，消除频谱成分不同于有用信号的干扰 信号；在电源电路、控制电路、转换电路中，消除沿这些电路的 干扰作用；(1) 插入损耗（IL）6.1 电磁干扰 滤波器的特性和分类衡量滤波器性能的主要指标。定义：1. 滤波器的特性：插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电压 、电流，外形尺寸，可靠性、体积和重量等。 U1未接入滤波器，信号源在负载上建立的电压； U2 接入滤波器

3、，信号源在负载上建立的电压。IL与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。(2) 频率特性插入损耗随频率的变化频率特性通带：信号无衰减通过滤波器的频率范围阻带：受到很大衰减的频率范围按频率特性划分：低通、高通、带通、带阻四种类型。频率特性参数：中心频率、截止频率、最低使用频率、最高 使用频率等。衰减带阻f衰减f低通衰减f高通衰减f带通(3)阻抗特性：滤波器的输入阻抗、输出阻抗(5)额定电压：输入滤波器的最高允许电压值(4) 额定电流:不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流使用EMI滤波器时，应遵循输入、输出端最大限度失配的原则， 以获得最佳抑制效果；使用信号滤波器时，应遵循输入、输出端阻抗匹配

4、原则， 以防止信号衰减额定电流越大，滤波器的体积、重量越大，成本越高；使用温度越高、工作频率越高，其允许的工作电流越小；若输入电压过高，会使滤波器内部的元件损坏；2.滤波器的分类：反射式（无损耗）吸收式（有损耗）按滤波机理：信号滤波器EMI滤波器按用途：有源无源（LC）按工作条件：按频率：低通高通带通带阻信号滤波器电源滤波器按使用场合：控制线滤波器瞬态干扰滤波器3. EMI滤波器的特点： 工作在阻抗失配的条件下，源阻抗和负载阻抗均随频率变化而变化； 干扰源的电平变化幅度较大，EMI滤波器应具有足够高的耐压，以保证输入电压为脉冲电压或变化幅度较大时，其内部部件不会出现饱和效应，更不会被击穿或烧毁

5、； 难以实现宽频段范围滤波。应首先明确滤波器的工作频率和 所要抑制的主要干扰频率，如两者非常接近，则需要选用频率特性非常陡峭的滤波器，将两者分离开来。滤波器可视为一个具有输入输出两对端子的网络(无源）。其中端口网络的传输方程：ZL滤波网络USZSU1I1I2U26.2 插入损耗的计算方法终端开路电压反射系数终端短路耦合阻抗终端开路耦合导纳终端短路电流反射系数输出端电压：无滤波网络时，负载电压：无源滤波器的插入损耗：ZL滤波网络UgZgU1I1I2U2滤波器的输入阻抗：滤波器的输出阻抗（移去US和ZL）：6.3 反射式滤波器用于抑制高频传导电磁干扰。具有衰减脉冲噪声、尖峰噪声、减少谐波和其它杂波

6、信号的功能如电源滤波器，对高于市电的频率进行衰减。如数字电路中，滤除不必要的高次谐波，仅保留维持电路正常工作的最低频率；如用于放大器和发射机输出电路，让基波信号通过，而谐波和其它乱真信号受到抑制。6.3.1 低通滤波器（低频信号无衰减的通过、抑制高频信号）电容的作用通过并联一个低阻抗的通路，使干扰电流分流电感的作用通过串联一个高阻抗的通路，阻断干扰电流的流通。电容和电感的作用1. 低通滤波器的电路形式并联电容型；串联电感型；型；反型；T型 ；型等RCURURRLUCRLRCURLRCRLURLCRLURCZLUSZSU1I1I2U2C（1）并联电容滤波器若ZL=ZS=R时，则有20dB/十倍频

7、C=500nF并联电容滤波器的插入损耗特性并联电容滤波器的插入损耗频率特性( )（2）串联电感滤波器：RUSRU1I1I2U2L并联电感滤波器的插入损耗频率特性( ) 20dB/十倍频L=0.5mH并联电感滤波器的插入损耗频率特性( ) （3）型滤波器：CRUgRU1I1I2U2L型滤波器插入损耗的频率特性C=100nFL=100H40dB/十倍频型滤波器插入损耗的频率特性(ZS与ZL不相等）ZS/ ZL的值分别为0.1/100,50/50,100/0.1C=100nFL=100H将电容器并接于更高阻抗（源或负载）的一端，通常可取得最大的插入损耗 反型滤波器：反射损耗同型:RUSRU1I1I2

8、U2CL插入损耗 (ZS=Zl=R)C型：型：L型：型：T型：60dB/十倍频低通滤波电路的滤波特性滤波电路的插入损耗与两端端接电路的阻抗密切相关同一滤波电路，当端接电路的阻抗不同时，其插入损耗可 能有很大的差异当与电感端接的电路的阻抗很小，与电容端接的电路的 阻抗很大时，滤波电路有更好的滤波性能在某些频率点，LC电路可能产生谐振，这种情况下，滤 波电路不仅不能对干扰进行抑制，反而会使之加强3dB截止点：截止角频率：RUgRCR =1C =2FRUgRLR =1L =2H（1）低通原型滤波器( ,阻抗量级为1） 2.低通滤波器的设计设预期截止角频率： ，则 换算后换算前由原型滤波器设计实际滤波

9、器 带宽换算阻抗换算带宽与阻抗综合换算或1Ug1CaUg11La 带宽换算 阻抗换算设 为预期的阻抗量级，则 RaUgCaRaUgLaRaRa或UgLaRaUgRaRaRa带宽与阻抗综合换算Ca例：设计阻抗为50，截止频率f c =1MHz 的1阶低通滤波器。L型：C型：(2)n级滤波器插入损耗与滤波器阶数（L、C器件数）的关系：例： 二阶原型滤波器： 对于n阶滤波器，插入损耗的斜率按20ndB/10倍频或6ndB/倍频增加 。 增加滤波器的阶数仅增大了插入损耗的斜率，而不改变滤波器的截止频率。1阶2阶3阶4阶UC1L1CU1L1三阶原型滤波器：型T型：1H2F1U11H1F12HU11Fn阶

10、原型滤波器：确定滤波器阶数:6ndB/倍频20ndB/10倍频462420至少3阶滤波器例：设天线的工作频率为230MHz，输入阻抗为72，干扰频率 为6672MHz，要求带外衰减30dB，设计低通滤波器。解：最低截止频率30MHz，取32MHz。最低干扰频率fi66MHz, 则 要求：6ndB/倍频30dB，则n5，取n5 。换算： 5级原型滤波器的参数为 5级原型滤波器的参数为 换算：根据阻抗选用滤波电路规律：电容对高阻，电感对低阻UgLRR例如：用于抑制信号通路上的交流电流分量或抑制某个特定的 低频外来信号。设计方法：对偶变换6.3.2 高通滤波器 网络结构将低通滤波器网络中所有电容器与

11、电感器互换RUgCRRUgLRUgCRR低通高通 将高通原型滤波器电路中各L、C和R值按低通滤波器相同的方式进行参数变换 将低通原型滤波器电路中各L值和C值取其倒数作为高通原型滤波器对应的C值和L值Ug11LhUgCh11例：设计一个高通滤波器，指标要求：解：即12ndB /4倍频70dB，则n6 高通原型元件值：低通原型：6阶低通滤波器换算出高通的最终元件值：3.4.4 电容、电感的高频特性谐振点：1. 电容的频率特性引线长1.6mm的陶瓷电容器RCL低频模型高频模型C理想电容实际电容阻抗频率特性曲线电容量谐振频率 (MHz) 1 F1.7 0.01 F12.6 3300 pF19.3 11

12、00 pF33 330 pF60阻抗频率特性陶瓷电容谐振频率及阻抗对滤波特性的影响 提高谐振频率的方法：尽量缩短引线长度； 当角频率 时，会发生串联谐振，这时电容的阻抗最小，滤波效果最好，超过谐振点后，电容器的阻抗呈现电感阻抗特性随频率的升高而增加，滤波效果开始变差。 选用电感较小的种类。一个常见的错误：加大电容量来提高干扰抑制效果。谐振频率越高越好巧用谐振点：通过调整电容量和引线长度，使谐振点恰好落 在干扰频率上（附近），提高滤波效果。实际上超过1F的电容大多为电解电容,有很大的电感成份 ，所以频率升高后反而阻抗会增大.并不能明显提高干扰的抑制 效果。大电容RUgR克服电容非理想性的方法宽带

13、干扰信号， 以上。 大小电容并联：大电容谐振点低，小电容谐振点高。大电容抑 制低频干扰，小电容抑制高频干扰。利用小电容弥补大电容高频特性的不足小电容并联电容电容并联LC并联电感并联问题：大小电容的谐振频率点间，大电容呈电感性，小电容呈电 容性。构成LC并联网络，在某个频率点上出现并联谐振。三端电容：问题：第三端引线的电感，以及引线间寄生电容造成输入端、 输出端耦合引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠，滤波效果会更好三端电容普通电容此引线电感起着不良作用，应尽量减小RUgR使用三端电容器1 干净地2 与机箱或其它较大 的金属件良好搭接接地点要求：穿心电容：（馈通电容）结

14、构：穿心电容特点：接地电感小； 输入输出无耦合。以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波,单独进出的电缆线滤波。穿心电容的插入损耗改善滤波器的高频特性并联电容滤波时，高频滤波效果比预想的较差，是因为并联电容两侧回路之间的互感，可采用四引线电容的方法，改善滤波器的高频特性。谐振点：2. 电感的频率特性绕在铁粉芯上的电感RCL低频模型高频模型理想电感实际电感阻抗频率特性曲线电感量(H )谐振频率 (MHz)3.4458.828685.71252.65001.2阻抗频率特性L电感寄生电容的来源磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。关键减小寄生电容单层绕制多层绕制方法

15、：边绕边重叠分段绕制多电感串联克服电感线圈非理想性的方法3.4.5 有源滤波器方法：采用电路技术模拟电感和电容特性。特点：功率大，体积小，重量轻 三种类型：有源电感滤波器：用有源器件模拟电感元件的频率特性， 对高频成分形成高阻抗电路。对于低阻抗电路更为合适。Z0直流电干扰电流Z0有源电感 有源电容滤波器：用有源器件模拟电容元件的频率特性， 对高频成分形成低阻抗电路。Z0Z0直流电干扰电流 对消滤波器：产生与干扰电流振幅相等、相位相反的反馈电 流，抑制干扰。用于抑制电源线路干扰的对消滤波器3.4.5 吸收型滤波器吸收型滤波器：由有耗元件构成，将信号中不需要的频率分量的 能量消耗在滤波器中。1.

16、铁氧体磁心 低频：呈现电感性阻抗。磁导率高，损耗小。 高频：阻抗呈现电阻性。随频率增加，磁导率下降，电感减 小，但损耗增加。高频信号通过铁氧体时，电磁能量以 热的形式耗散。铁氧体的阻抗特性将铁氧体材料制成环状磁心，与从中穿过的导线构成有损电感，可以起到滤除高频电磁骚扰的作用。铁氧体的阻抗特性铁氧体等效电阻i 铁氧体长度铁氧体磁导率的实部铁氧体磁导率的虚部电流对铁氧体的影响 当穿过铁氧体中的导线中流过电流时，将在铁氧体中产生磁场。当磁场强度超过一定量值时，铁氧体发生磁饱和，磁导率急剧下降，电感量减小。低频时，影响较大；高频时影响不大。使用铁氧体磁心时，注意：1）铁氧体磁心的最佳抑制频率与其材料的

17、初始磁导率有 关。一般地，初始磁导率越高，其适用抑制的频率就 越低；3）磁心在电路中的阻抗与所绕导线匝数有关，匝数多 则阻抗大，但易饱和，且线间分布电容大，对高频 特性不利；2）不同的应用场合，选择不同形状的铁氧体磁心材料； 如珠形、环形、多孔形等，磁心尺寸应与导线直径配合。4）当用于电源线差模滤波时，由于工作电流大，磁心易 饱和，从而导致阻抗下降和插入损耗减小。因此，应 增大磁心截面及选择具有高饱和值的材料，或在两个 半环间留有一定的缝隙。而用于共模滤波时，两根电 源线的工作电流方向相反，可以相互抵消，磁心不会 饱和。5）铁氧体磁环应尽量靠近干扰源安装。对于屏蔽机箱 上的电缆，磁环要尽量靠近

18、机箱的电缆进出口。2. 电缆滤波器 将铁氧体材料填充在电缆 中制成电缆滤波器。 特点：体积小， 具有理想的高频衰减特性。3 . 滤波连接器 将铁氧体直接组装到电缆连接器内。芯线铁氧体绝缘层绝缘外套屏蔽层外套3.4.6 反射式和吸收式混合使用一般滤波器产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。测量极限 将反射式滤波器与吸收式滤波器串接起来，既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减，可以更好地抑制高频干扰。 测量极限fIL030-60低通滤波器的损耗特性 测量极限fIL030-60接入吸收线后的低通滤波器的损耗特性3.4.7 电源线滤波器 作用：限制进入设备的传导干扰电平，又限制设备向电网发射

19、传导干扰。 电源线中的干扰：共模干扰和差模干扰差模干扰电子设备相线地线中线共模干扰电子设备相线地线中线电子设备相线地线中线电子设备相线地线中线使用电源线滤波器时，注意电源线的特殊性。滤波器中的串联电感L值不能取得过大，否则会产生较大的电源压降，影响正常供电；设备允许的最大电源压降设备的额定工作电流电源频率滤波器中的接地的并联电容C值不能取得过大，否则对地漏电流增加，可能会超出限值而影响人身安全或引起漏电保护。设备允许的最大漏电流设备的额定电压3.4.8 滤波器的选用与安装1. 选用干扰频率、干扰量级、环境条件 滤波器的选择额定电流：设备额定电流的1.2倍额定电压：约大于设备额定电压插入损耗: 厂家所给出的值，一般是在50/50标准测量法下测