1、 第4章 滤波 4.0 滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 4.1 滤波器的特性滤波器的特性 4.2 反射式滤波器反射式滤波器 4.3 吸收式滤波器吸收式滤波器 4.4 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器 4.5 电源线滤波器电源线滤波器 4.6 元件非理想特性的影响元件非理想特性的影响4.0 滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 屏蔽体可以阻断电磁波的传播，滤波器用来干什么？屏蔽体中的穿透部分滤波器的作用信号滤波器电源滤波器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。满足电源线干扰发射和抗扰度要求满足抗扰度及设备辐射发射要求信号线滤波器信号线滤波器干扰源干扰源 对于电路中传
2、播的电磁骚扰，需要采用滤波技术加以抑制。滤波有多种滤波有多种分类分类方法方法：(2)按照滤波器在电路中的位置和作用：信号滤波、电源滤波、EMI滤波、电源去耦滤波和谐波滤波。(3)按照电路中是否包含有源器件：无源滤波和有源滤波。(4)按照频率特性：高通、低通、带通、带阻滤波 (1)按照滤波器的能量损耗特性：反射滤波器和吸收滤波器等。干扰滤波器的种类衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率4.1 滤波器的特性滤波器的特性 滤波器的技术指标包括插入损耗、频率特性、阻抗特性、额定电压、额定电流、外形尺寸、工作环境、可靠性等。1插入损耗（Insertion Losses）)dB()lg(2021U
3、UIL 插入损耗随频率变化的曲线就是滤波器的频率特性曲线。在高频段插入损耗大的是低通滤波器，在低频段插入损耗大的是高通滤波器。2频率特性 滤波器的插入损耗随频率的变化即为频率特性。频率特性可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用频率等参数描述。3 阻抗特性 滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响其插入损耗特性。在使用EMI滤波器时，应保证在输入、输出最大限度失配的情况下，有合乎要求的最佳抑制效果。4 额定电压滤波器工作时允许的最高电压。5 额定电流滤波器工作时，不降低插入损耗性能的最大使用电流。4.2 4.2 反射式滤波器反射式滤波器 反射式滤波器又称无损滤波器，其工作原理是在电磁信号传输路
4、径上形成很大的特性阻抗不连续，使大部分电磁能量反射回信号源处。反射式滤波器采用电感L、电容C储能元件组成的无源网络。有很好的频率选择特性，但容易产生谐振。根据频率特性分为低通、高通、带通、带阻滤波器，低通滤波器是电磁兼容中最常用的滤波器。低通滤波器的基本电路形式 电容电容的作用是通过并联一个低阻抗的通路，使骚扰电流分流分流，从而减小负载中的骚扰电流；电感电感的作用是通过串联一个高阻抗，阻断阻断骚扰信号的流通，从而减小负载上的骚扰电压。电感：电感：Z=L电容电容:Z=1/C衰减低通3dB截止频率n 低通滤波器的频率特性低通滤波器的频率特性 当滤波器的频率特性不能满足要求时，可以采取多个滤波器级联
5、的方法。低通滤波器中所含滤波器个数称为滤波器的阶数过渡带阶数与插入损耗的关系20406080100 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确定滤波器阶数50 100欲衰减欲衰减20dB4 6=24 20至少至少4阶滤波器阶滤波器10 1001 20=201阶滤波器就可以了阶滤波器就可以了为了保险，可用为了保险，可用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n高通滤波器 高通滤波器抑制低频干扰信号。由于高通滤波器与低通滤波器具有
6、对偶性，设计高通滤波器时可采用倒转方法，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电感器换成一个电容器，而每一个电容器换成一个电感器。衰减高通高通滤波器类型L反H低通高通电感：电感：Z=2 fL电容电容:Z=1/2 fC低通高通 例：求该电路的插入损耗。210lg1()()fLILdBRU、f4.3 4.3 吸收式滤波器吸收式滤波器 吸收式滤波器又称有损滤波器，它采用有损耗的滤波元件，使骚扰信号的能量消耗在滤波器中，以达到抑制干扰的目的。吸收式滤波可避免反射式滤波因寄生参数效应或阻抗不匹配引起的谐振，但其频率选择性较差。吸收式滤波器采用铁氧体
7、材料铁氧体材料或其他有损耗材料，将导线穿过或缠绕在各种形状的铁氧体材料上，利用其电感及磁场涡流损耗阻断骚扰信号的传播。1铁氧体磁心 铁氧体磁心具有很好的高频骚扰抑制能力，被制成各种形状及大小，广泛应用于各种电子产品。用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，可起到滤除高频电磁骚扰的作用。共模和差模干扰电流共模扼流圈共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。芯不会饱和。共模电流电感很大。共模电流电感很大。使用铁氧体磁心时，应注意注意以下几点：(1)根据骚扰信号的频率范围，选择不同的磁心材料，如锰锌适于低频干扰，镍锌适
8、于高频干扰；(2)对不同场合，选择不同形状的磁心材料，如珠形、环形、多孔形、扁平夹条形、表面贴装型等，且磁心尺寸要与导线直径相配合；Why?(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，但容易饱和，且线间分布电容大，对高频特性不利；(4)当用于电源线差模滤波时，由于其工作电流较大，磁心容易饱和，因此，必须增大磁心截面及选择具有高饱和值的材料，或在两个半环之间留有一定间气隙。频率特性2抗干扰电缆 抗干扰电缆是将铁氧体材料填充在同轴电缆的内、外导体之间构成的有损同轴电缆，它具有很好的高频衰减特性，可以起到较好的滤波效果。用于抑制电磁骚扰在电路中传播的滤波器统称为电磁干扰滤波器（EMI
9、滤波器），也有的称为射频干扰滤波器（RFI滤波器）。4.4 4.4 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器 EMI滤波器通常是由串联电感和并联电容组成的低通滤波器，其工作原理与常规滤波器相同，但有如下特点。1、电磁骚扰的工作频率范围很宽，从几十kHz到1GHz以上。2、一般电路中使用的滤波器所连接的电路的阻抗是一定的，而电磁干扰滤波器所连接的电路阻抗变化范围很宽。电磁干扰滤波器采用低通滤波器的原因是：一种主要的电磁干扰源是数字脉冲电路，有丰富的高次谐波；高频电磁波更容易被接收，对设备造成干扰的电磁场都是频率较高的，它们在电路中产生噪声电压、电流也是高频的 当导线上有传导电流时，电流的频率越高，越容易产生
10、辐射，导线或电缆之间由于存在杂散电容和电感，会产生相互的串扰。这种串扰与频率有关，频率越高，串扰起严重。4.4.1 EMI滤波器的基本电路结构滤波器的基本电路结构 EMI滤波器不但要抑制经两根导线流通的骚扰信号（差模干扰），而且还要抑制经任一根导线与地回路流通的骚扰信号（共模干扰）。差模干扰和共模干扰 EMI滤波器的基本电路 4.4.2 EMI滤波器的阻抗匹配问题滤波器的阻抗匹配问题 滤波器输入端的骚扰源阻抗ZS和输出端的负载阻抗ZL往往不能满足阻抗匹配条件。为改善阻抗不匹配情况下的滤波效果，应跟据不同情况采用不同结构的滤波器。一般原则是源、负载的低阻抗与串联电感相配低阻抗与串联电感相配合，高
11、阻抗与并联电容相配合合，高阻抗与并联电容相配合。机理：当源、负载阻抗低时通过串联电感（高阻抗）可阻断骚扰信号的传输；当源、负载阻抗高时，串联电感（高阻抗）的阻断作用较小，而采用并联电容（低阻抗）可给骚扰信号提供一个低阻抗的分流通路，从而抑制骚扰信号的传播。抑制设备的传导发射或提高对电网中骚扰的抗扰度。4.5 4.5 电源线滤波器电源线滤波器 除了要考虑源阻抗和负载阻抗的匹配外，电源线滤波器的串联电感和并联电容选值受到一定限串联电感和并联电容选值受到一定限制制。串联电感L值不能取得太大，否则会产生较大的电源压降，影响正常供电；接地的并联电容值也不能取得太大，否则对地漏电流增加，可能会超出限值而影
12、响人身安全安全或引起漏电保护。IfUL2UfICg2 为满足上述要求，可使用共模扼流圈共模扼流圈。安装应注意的问题：滤波器的安装位置 设备的入口/出口处滤波器输入和输出引线的隔离 输入与输出分开 滤波器的接地 与设备外壳的大面积导电接触 用滤波器解决屏蔽体上的穿透对屏蔽效果的影响 电缆线对高频骚扰具有天线作用，通常是在电缆线端口处并联电容滤波。4.6 4.6 元件非理想特性的影响元件非理想特性的影响 有时滤波效果并不好，源于滤波电路及元件并非是理想情况，存在各种寄生参数，影响了滤波效果。PCB板上的电容作用板上的电容作用PCB板上的电容作用 旁路：主要作用是提高系统配电的质量，降低在印制电路板
13、上从元器件电源、地脚转移出不想要的共模射频能量。去耦：主要用来滤除高频器件在PCB电源或芯片电源脚上引起的辐射电流，为器件提供一个局域化的直流通路，能减低印制电路中的电流冲激的峰值。储能：数字电路传递0、1，当数字电路逻辑门的状态变化，电源线上有电流突变，使电源线的电感较大，从而会在电源线上产生压降且产生辐射，储能电容的作用是为芯片提供所需要的电流，将电流变化局限在较小的范围内，从而减小辐射。实际电容器的特性)1(1CLjRCjLjRZZC实际电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器1/2 LCCLCR理想电容实际电容CL11元件的非理想特性实际电感器的特性)222(22222211LRLC
14、jLRRLRLjRCjLjRCjZZL理想电感实际电感f 绕在铁粉芯上的电感1/2 LCLCLR理想电感实际电感CL1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，磁芯为非导体时，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。为主要因素。克服电容非理想性的方法)1(11LCjLjCjZ大容量小容量衰减电容并联区电容并联区小电容小电容大电容大电容并联电容并联电容频率频率电感并联电感并联区区LC并联并联区区大容量小容量LCLC1 为改善电容器实际特性的影响，常将一个高频性能好的小电容与一个大电容并联
15、使用。三端电容器的原理引线电感与电容引线电感与电容一起构成了一个一起构成了一个T形低通滤波器形低通滤波器在引线上安装两在引线上安装两个磁珠滤波效果个磁珠滤波效果更好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三端电容普通电容普通电容 30 70 1GHz206040三端电容的正确使用接地点要求：接地点要求：1 干净地干净地2 与机箱或其它较大与机箱或其它较大 的金属件射频搭接的金属件射频搭接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效果下降穿心电容更胜一筹金属板隔离金属板隔离输入输出端输入输出端一周接地一周接地电
16、感很小电感很小穿心电容的插入损耗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穿心电容穿心电容 馈通滤波器是以穿心电容为基础，结合电感构成的滤波电路。馈通滤波器可安装在屏蔽体表面，使导线经馈通滤波器进出屏蔽体；安装在线路板上，用印制电路板的地线层做隔离层和接地层；安装在电路之间的隔离板上。线路板上使用馈通滤波器线路板地线面线路板地线面上面上面底面底面穿心电容、馈通滤波器以穿心电容为基以穿心电容为基础的馈通滤波器础的馈通滤波器广泛应用于广泛应用于RF滤滤波波馈通滤波器使用注意事项 必须安装在金属板上，并在一周接地 最好焊接，焊接时间不能过长，温度应该控制到不超过250 上紧螺纹
17、时扭矩不能过大 穿心式滤波器的核心是盘状多层或管状陶瓷电容器。与其他陶瓷物品一样，会受到温度突变、机械震动和过高电压而损坏。在安装穿心式滤波器到板面上，焊接滤波器的导针以及整形时必须小心将各类应力减小到最小。信号线滤波器 信号线滤波器与电源线滤波器类似，都是低通滤波器，但有如下区别：信号电压较低，不用考虑滤波电容的耐高压问题；信号电流较小，不用特别考虑电感磁心的磁饱和问题；不同设备和接口的信号频率不同，因此滤波的截止频率不同 通带要足够宽，不能影响有用信号的特性；信号线滤波器以共模滤波为主低通滤波器对脉冲信号的影响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
18、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信号电缆滤波的方法屏蔽盒屏蔽盒馈通滤波器馈通滤波器连接器连接器2互感的影响为减小互感，可缩短电容引线长度、改变电路走线、采用四引线电容、采用表面安装电容等。并联电容滤波时，高频滤波效果比设想的差，是因为并联电容两侧的回路之间存在互感。addMln 大容量小容量3电容回路的电感 印制电路板上的电源平面和地平面之间、集成电路旁边经常接滤波电容器，以抑制器件驱动时产生的电压脉动，电容器的电荷释放受到电感的限制。电感除了电容器的寄生电感外，还包括回路电感。为减小回路电感，滤波电容应尽量靠近集成电路，或使用电源平面和地平面间距较小的电路板。去耦第第4章章 滤波滤波要求要求 滤波器的作用 低通滤波器的频率特性/插入损耗 常见的几种低通滤器电路 反射式与吸收式滤波器的滤波机理 共模扼流圈对共模差模骚扰电流的作用 电源线滤波器电路及安装方法 信号线滤波器的特点及低通滤波器对信号质量的影响 电容与电感的非理想特性 三端电容器与穿心电容
