1、-第六章第六章 滤波技术滤波技术-主要内容主要内容6.1 6.1 电磁干扰滤波器的特性和分类电磁干扰滤波器的特性和分类6.2 6.2 插入损耗的计算方法插入损耗的计算方法6.3 6.3 反射式滤波器反射式滤波器6.4 6.4 电容、电感的高频特性电容、电感的高频特性6.5 6.5 有源滤波器有源滤波器6.6 6.6 吸收式滤波器吸收式滤波器6.7 6.7 反射反射-吸收组合式低通滤波器吸收组合式低通滤波器6.8 6.8 电源滤波器电源滤波器6.9 6.9 滤波器的选择和使用滤波器的选择和使用-n滤波器作用：抑制传导干扰滤波器作用：抑制传导干扰n工作原理工作原理 在一定的通频带内，在一定的通频带
2、内，滤波器的衰减很小，能滤波器的衰减很小，能量容易地通过。在此通量容易地通过。在此通频带之外则衰减很大，频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。抑制了能量的传输。滤波器作用：抑制传导干扰滤波器作用：抑制传导干扰 信号滤波器信号滤波器 电源滤波器电源滤波器-(1)插入损耗插入损耗（IL）滤波器的特性与分类滤波器的特性与分类衡量滤波器性能的主要指标。定义：衡量滤波器性能的主要指标。定义：1.特性特性：1220lg(dB)UILU U1 未接入滤波器，信号源在负载上建立的电压；未接入滤波器，信号源在负载上建立的电压；U2 接入滤波器，信号源在负载上建立的电压。接入滤波器，信号源在负载上建立的电压。nI
3、L与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电流；外形尺插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电流；外形尺寸，工作环境，可靠性等。寸，工作环境，可靠性等。-(2)频率特性频率特性插入损耗随频率的变化插入损耗随频率的变化频率特性频率特性通带：信号无衰减通过滤波器的频率范围通带：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阻带：受到很大衰减的频率范围按频率划分：低通、高通、带通、带阻四种类型。按频率划分：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、最高频率特性参数：中心频率、截
4、止频率、最低使用频率、最高 使用频率等。使用频率等。衰减衰减f低通低通衰减衰减f高通高通衰减衰减f带通带通衰减衰减带阻带阻f-(2)频率特性频率特性-2.分类分类反射式反射式吸收式吸收式按原理：按原理：信号选择滤波器信号选择滤波器EMI滤波器滤波器按用途：按用途：有源有源无源（无源（LC）按工作条件：按工作条件：(3)阻抗特性阻抗特性：滤波器的输入阻抗、输出阻抗滤波器的输入阻抗、输出阻抗(4)额定电压额定电压：输入滤波器的最高允许电压值输入滤波器的最高允许电压值(5)额定电流额定电流:不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流按频率按频率宽带宽带窄带窄带-3.
5、EMI滤波器的特点滤波器的特点 工作在阻抗失配的条件下；（干扰源的频率阻抗特性变化范围工作在阻抗失配的条件下；（干扰源的频率阻抗特性变化范围很宽）很宽）EMI滤波器必须有足够高的耐压；（干扰源的电平变化幅度大）滤波器必须有足够高的耐压；（干扰源的电平变化幅度大）难以实现宽频段范围滤波；（干扰源的频带范围佷宽）难以实现宽频段范围滤波；（干扰源的频带范围佷宽）-n无源滤波器的端口网络特性无源滤波器的端口网络特性11121221212222UA UA IIA UA I其中其中端口网络：端口网络：211120IUAU212120IIAUZL滤波滤波网络网络UGZSU1I1I2U22.插入损耗插入损耗2
6、11220UUAI212220UIAI终端开路电压终端开路电压反射系数反射系数1112122121112122222221LinLUA UA IAA ZZIA UA IAA Z2122221121SoutSUAA ZZIAA Z输入阻抗：输入阻抗：终端短路终端短路耦合阻抗耦合阻抗终端开路终端开路耦合导纳耦合导纳终端短路电终端短路电流反射系数流反射系数-1112122112122/LUA UA IA UA UZZL滤波滤波网络网络USZSU1I1I2U22011122122220lg20lgLSLSSLUA ZAA Z ZA ZILUZZ1112LinSLSinZZUA ZAZZ无滤波器网络时无
7、滤波器网络时20LSSLZUUZZ故插入损耗故插入损耗n无源滤波器的插入损耗无源滤波器的插入损耗1inSSinZUUZZ211112LLZUUA ZA-ZL滤波滤波网络网络USZSU1I1I2U22011122122220lg20lgLSLSSLUA ZAA Z ZA ZILUZZ故插入损耗故插入损耗n无源滤波器的插入损耗无源滤波器的插入损耗21112212220lg2A RAA RA RILR()SLZZR当当-6.3.1 低通滤波器低通滤波器n数字脉冲电路中的脉冲信号有丰富的高次谐波，是很强的干扰源数字脉冲电路中的脉冲信号有丰富的高次谐波，是很强的干扰源 6.3 反射式滤波器反射式滤波器衰
8、减衰减f低通低通n高频电磁波容易被吸收，在电路中产生的噪声电压和电流也是高高频电磁波容易被吸收，在电路中产生的噪声电压和电流也是高频的频的n当导线上有传导电流时，电流的频率越高，越容易产生辐射当导线上有传导电流时，电流的频率越高，越容易产生辐射n导线或电缆之间由于存在杂散电容和互感，会产生相互串扰，它导线或电缆之间由于存在杂散电容和互感，会产生相互串扰，它与频率有关，频率越高，串扰越严重与频率有关，频率越高，串扰越严重-6.3.1 低通滤波器低通滤波器n基本原理：电容的阻抗随频率升高而减小，电感的阻抗随着频率升基本原理：电容的阻抗随频率升高而减小，电感的阻抗随着频率升高而增加高而增加1.常见形
9、式常见形式并联电容型；串联电感型；并联电容型；串联电感型；型；反型；反型；型；T型型；型等型等 6.3 反射式滤波器反射式滤波器-1.并联电容低通滤波器并联电容低通滤波器210lg(1)kRUgRCA参数为：参数为：1021112IUUA0021122UIUACjUCjUUIAI2102121121021222UIIA插入损耗为：插入损耗为：LSLSZZZCZjIL1lg20假定假定ZS=ZL=R，插入损耗变为，插入损耗变为22/1lg20CRIL2011122122220lg20lgLSLSSLUA ZAA Z ZA ZILUZZ-1.并联电容低通滤波器并联电容低通滤波器210lg(1)kR
10、UgRCR=1C=2F插入损耗为：插入损耗为：210lg(1)k3dB截止点：截止点：1k 210lg1(2)ILCR2kCR其中其中截止角频率截止角频率 ：对应于：对应于3dB截截 止点的角频率止点的角频率c原型滤波器：原型滤波器：2FC-2.串联电感型滤波器串联电感型滤波器210lg 1(2)ILLR插入损耗为：插入损耗为：2111021IUAU211202UUAj LI2121020IIAU2122021UIAI21112212220lg2A RAA RA RILRA参数：参数：-3.反反形低通滤波器形低通滤波器222110lg(2)(/)4ILLCCRL R2222110lg 1()4
11、()4LCLCCRL R插入损耗为：插入损耗为：A参数：参数：2111111/()LCCLCUZALCZ UZZZ 12,AjL1211/()1/()LCCLCCUZZAj CZ UZZZ221A21112212220lg2A RAA RA RILR-3.形低通滤波器形低通滤波器222110lg(2)(/)4ILLCCRL R2222110lg 1()4()4LCLCCRL R插入损耗为：插入损耗为：11121,AAj L22122,1Aj CALC A参数：参数：21112212220lg2A RAA RA RILR-4.形低通滤波器形低通滤波器2322210lg122LLC RILLCCR
12、R插入损耗为：插入损耗为：-4.T形低通滤波器形低通滤波器2322210lg122LL CCRILLCRR插入损耗为：插入损耗为：-插入损耗：插入损耗：210lg1(2)ILCR型：型：电感型：电感型：T型：型：电容型：电容型：222110lg(2)(/)4ILLCCRL R210lg 1(2)ILLR3222210lg(1)()22LL CCRILLCRR型：型：3222210lg(1)()22LLC RILLCCRR-2.低通滤波器的设计低通滤波器的设计 1Ug12F原型原型滤波器原型滤波器：是指截止角频率：是指截止角频率c=1rad/s，阻抗量级为，阻抗量级为1的滤波器的滤波器210lg
13、1IL-带宽换算带宽换算aC换算后换算后bC换算前换算前带宽换算带宽换算阻抗换算阻抗换算宽带与阻抗综合换算宽带与阻抗综合换算1Ug1Ca电容型：电容型：bL换算前换算前电感型：电感型：aL换算后换算后(2)abcCCf(2)abcLLf2.低通滤波器的设计低通滤波器的设计 -阻抗换算阻抗换算令令 /abCCZabRZRabLZL(1)RRZ(1)bR RaUgCaRa电容型：电容型：2.低通滤波器的设计低通滤波器的设计 -宽带与阻抗综合换算宽带与阻抗综合换算/(2)aabcCCZCf ZabRZR/(2)aabcLZLZLfRaUgCaRa/(2)abcLLf/(2)abcCCf-例：设计阻抗
14、为例：设计阻抗为50，截止频率，截止频率f c=1MHz 的低通滤波器。的低通滤波器。9616.4106400pF25010bcCCZf665015016 10 H16 H210bccZLLff电感型：电感型：电容型：电容型：50UgC=6400pF50-4.多级滤波器多级滤波器n过渡带与滤波器阶数（过渡带与滤波器阶数（L、C器件数）的关系：器件数）的关系：对于对于n阶滤波器，过渡带的斜率按阶滤波器，过渡带的斜率按20ndB/10倍频倍频或或6ndB/倍倍频频增加增加。增加滤波器的阶数仅增加了增加滤波器的阶数仅增加了过渡带的斜率，而不改变滤波器过渡带的斜率，而不改变滤波器的截止频率。的截止频率
15、。cf210cf10cf310cf410cf204060801 1阶阶2 2阶阶3 3阶阶4 4阶阶fIL-滤波器的类型滤波器的类型-频率变换频率变换-频率变换：低通到高通频率变换：低通到高通-频率变换：低通到带通频率变换：低通到带通-滤波器的类型滤波器的类型-滤波器的类型滤波器的类型-2,1LCR222(22)(2 2)10lg4IL例例：二阶原型滤波器：二阶原型滤波器：410lg(1)-1,2,1CLR2232610lg(1 2)()10lg(1)IL三阶原型滤波器：三阶原型滤波器：型型:T型：型：1,2,1LCR2232610lg(1 2)()10lg(1)IL-例例：设天线的工作频率为
16、：设天线的工作频率为230MHz，输入阻抗为，输入阻抗为72，干扰频率，干扰频率 为为6672MHz，要求带外衰减，要求带外衰减30dB，设计低通滤波器。，设计低通滤波器。解解：最低截止频率：最低截止频率30MHz，取，取32MHz。最低干扰频率。最低干扰频率fi 66MHz,则则2.06icff 要求：要求：6ndB/倍频倍频 30dB，则，则n5，取，取n5。153240.618F,2.00F,1.618HbbbbbCCCLL换算：换算：72gLRR151(2)43pFbcCCCf Z242(2)0.58HbLLL Zf33(2)138pFbcCCf Z 5级原型滤波器的参数为级原型滤波器
17、的参数为 -高通滤波器高通滤波器(1)网络结构网络结构 将低通滤波器网络中所有电容器与电感器互换将低通滤波器网络中所有电容器与电感器互换RUgCRUgLRRUgCRR低通低通高通高通RUgLR210lg(1)ILk2hRkL12hkC R设计方法设计方法：对偶变换：对偶变换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。频外来信号。-(3)将高通原型滤波器电路中各将高通原型滤波器电路中各L、C 和和 R 值按低通滤波器相同值按低通滤波器相同 的方式进行参数变换的方式进行参数变换:(2)将低通原型滤波器电路中各将低通原型滤波器电路中
18、各 L 值和值和 C 值取其倒数作为值取其倒数作为高通原型滤波器对应的高通原型滤波器对应的C 值和值和 L 值值11F2lhlLCL11H2lhlCLCUg11LhUgCh11210lg(1),1(2)ILkkf2bacCCf ZabRZR2bacZLLf-例例：设计一个高通滤波器，指标要求：设计一个高通滤波器，指标要求：解解：zz1MH,600,250kH,70dBcgLfZZfIL4,ciff 即即12.3ndB/倍频倍频 70dB，则，则n6 低通原型：低通原型：1634520.518,1.932,1.414LLLLLLLCLCLC高通原型元件值：高通原型元件值：224466110.70
19、7 H,1.414110.518H,1.932111.932 H0.518HLHLHLLCLCLC113355111.932F,0.518110.518F,1.932110.707F.1.414HLHLHLCLCLCL-换算出高通的最终元件值：换算出高通的最终元件值：611(2)1.932(210600)512pFHHcCCf Z633(2)0.518(210600)137pFHHcCCf Z655(2)0.707(210600)188pFHHcCCf Z622(2)600 0.707(210)67.5 HHHcLZ Lf644(2)600 0.518(210)49.4 HHHcLZ Lf66
20、6(2)600 1.932(210)184 HHHcLZ Lf-带通滤波器带通滤波器UgR RLp1Cs1Cp1Lp2Cs2Cp2Ls1Ls2UgR RLp1Cp1Cp2Lp2Cs1Ls1Cs2Ls2带阻滤波器带阻滤波器-6.4 电容、电感的高频特性电容、电感的高频特性2222()1()LCZRXXRLC谐振点：谐振点：1LC1.电容的频率特性电容的频率特性引线长引线长1.6mm的陶瓷电容器的陶瓷电容器C低频模型低频模型RCL高频模型高频模型理想电容理想电容1/LCZ阻抗频率特性曲线阻抗频率特性曲线电容量电容量谐振频率谐振频率(MHz)1 F1.7 0.01 F12.6 3300 pF19.3
21、 1100 pF33 330 pF60n阻抗频率特性阻抗频率特性实际电容实际电容-n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），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。提高滤波效果。n对滤波特性的影响对滤波特性的影响 n谐振频率与引线长度有关，引线越长，谐振频率越低，高频的谐振频率与引线长度有关，引线越长，谐振频率越低，高频的滤波效果越差，所以尽量缩短引线长度；滤波效果越差，所以尽量缩短引线长度；1/LC 当角频率当角频率 时，会发生串联谐振，这时电容的阻时，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
22、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感阻抗特性 随频率的升高而增加，滤波效果开始变差。随频率的升高而增加，滤波效果开始变差。n电容量越大，谐振频率越低，高频的滤波效果越差，但是低频电容量越大，谐振频率越低，高频的滤波效果越差，但是低频的滤波效果增强；的滤波效果增强；-n克服电容非理想性的方法克服电容非理想性的方法宽带干扰信号，宽带干扰信号，以上。以上。:kHz GHzf 大小电容并联大小电容并联：大电容谐振点低，小电容谐振点高。大电容抑：大电容谐振点低，小电容谐振点高。大电容抑 制低制低频干扰，小电容抑制高频干扰。频干扰，小电容抑制高频干扰。RUgR大电容大电容Z小
23、电容小电容电容电容并联并联LC并联并联电感电感并联并联问题问题：大小电容的谐振频率点间，大电容呈电感性，小电容呈电：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。构成容性。构成LC并联网络，在某个频率点上出现并联谐振。并联网络，在某个频率点上出现并联谐振。并联电容并联电容-三端电容三端电容三端电容：构成三端电容：构成 一个一个T形滤波器。形滤波器。穿心电容穿心电容问题问题：引线间电容耦合，另一引线的电感（：引线间电容耦合，另一引线的电感（300MHz 以下）以下）结构结构：特点特点：接地电感小；：接地电感小；输入输出无耦合。输入输出无耦合。RUgR三端三端电容电容Z普通电容普通电容
24、-谐振点：谐振点：1LC2.电感的频率特性电感的频率特性绕在铁粉芯上的电感绕在铁粉芯上的电感理想电感理想电感1/LCZ阻抗频率特性曲线阻抗频率特性曲线电感量电感量(H)谐振频率谐振频率(MHz)3.4458.828685.71252.65001.2n阻抗频率特性阻抗频率特性低频模型低频模型LRCL高频模型高频模型222221LRLZRCLC实际电感实际电感-关键减小寄生电容关键减小寄生电容n克服电感线圈非理想性的方法克服电感线圈非理想性的方法单层绕制单层绕制：增大每匝之间的距离，：增大每匝之间的距离，有效减小匝间电容有效减小匝间电容多层绕制方法多层绕制方法：要向一个方向绕，：要向一个方向绕，边
25、绕边重叠边绕边重叠分段绕制分段绕制：每段的电容较小，总容：每段的电容较小，总容 量比每段的寄生容量小量比每段的寄生容量小多电感串联多电感串联：将一个大电感分解成：将一个大电感分解成 不同的电感串联不同的电感串联-有源滤波器有源滤波器n方法方法：采用电路技术模拟电感和电容特性。：采用电路技术模拟电感和电容特性。n特点特点：功率大，体积小，重量轻：功率大，体积小，重量轻 三种类型三种类型：有源电感滤波器：用有源器件模拟电感元件的频率特性，有源电感滤波器：用有源器件模拟电感元件的频率特性，对干扰信号形成高阻抗电路。对干扰信号形成高阻抗电路。有源电容滤波器：用有源器件模拟电容元件的频率特性，有源电容滤
26、波器：用有源器件模拟电容元件的频率特性，对干扰信号形成低阻抗电路。对干扰信号形成低阻抗电路。对消滤波器：产生干扰电流振幅相等、相位相反的反馈电对消滤波器：产生干扰电流振幅相等、相位相反的反馈电 流，抵制干扰。流，抵制干扰。-吸收型滤波器吸收型滤波器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：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。能量消耗在滤波器中。1.铁氧体的阻抗特性铁氧体的阻抗特性 低频：低频：呈现电感性阻抗。磁导率高，损耗小。呈现电感性阻抗。磁导率高，损耗小。高频：高频：阻抗呈现电阻性。随频率增加，磁导率下降，电感减阻抗呈现电阻性。随频率
27、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。热的形式耗散。电流对铁氧体的影响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，令在铁氧体磁感中产当穿过铁氧体中的导线中流过电流时，令在铁氧体磁感中产生磁场。当磁场强度超过一定量值时，磁感发生饱和，磁导率急生磁场。当磁场强度超过一定量值时，磁感发生饱和，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。剧下降，电感量减小。低频时，影响较大；高频时影响不大。-2.电缆滤波器电缆滤波器 将铁氧体材料填充在电缆中制将铁氧体材料填充在电缆中制 成电
28、缆滤波器。成电缆滤波器。特点特点：体积小，：体积小，具有理想的高频衰减特性。具有理想的高频衰减特性。3.滤波连接器滤波连接器 将铁氧体直接组装到电缆连接器内。将铁氧体直接组装到电缆连接器内。4.铁氧体磁环铁氧体磁环芯线芯线铁氧体铁氧体绝缘层绝缘层绝缘外套绝缘外套屏蔽层屏蔽层外套-反射式和吸收式混合使用反射式和吸收式混合使用 将反射式滤波器与吸收式滤波器串接起来，既有陡峭的频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。率特性，又有很高的阻带衰减，可以更好地抑制高频干扰。测量极限测量极限fIL030-60低通滤波器的损耗特性低通滤波器的损耗
29、特性 测量极限测量极限fIL030-60接入吸收线后的低通滤接入吸收线后的低通滤波器的损耗特性波器的损耗特性-电源滤波器电源滤波器 作用作用：限制进入设备的传导干扰电平，又限制设备向：限制进入设备的传导干扰电平，又限制设备向电网发射传导干扰。电网发射传导干扰。电源线中的干扰电源线中的干扰：共模干扰和差模干扰：共模干扰和差模干扰差模干扰差模干扰电子电子设备设备相线相线地线地线中线中线共模干扰共模干扰电子电子设备设备相线相线地线地线中线中线电子电子设备设备相线相线地线地线中线中线电子电子设备设备相线相线地线地线中线中线-滤波器的选用与安装滤波器的选用与安装1.选用选用(1)(1)电磁干扰滤波器在相
30、应工作频率内，应能满足负载要求的衰减电磁干扰滤波器在相应工作频率内，应能满足负载要求的衰减 特性特性.(2)(2)滤波器应满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求滤波器应满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求.(3)(3)在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它所连接的干扰源或在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它所连接的干扰源或 负载阻抗相匹配负载阻抗相匹配.(4)(4)滤波器必须具有一定的耐高压能力滤波器必须具有一定的耐高压能力.-滤波器的选用与安装滤波器的选用与安装1.选用选用(6)(6)滤波器应与特定的用途相适应滤波器应与特定的用途相适应.(7)(7)滤波器应具有足够的机械强度滤波器应具有足够的机械强度.(5)(5)滤波器允许通过的额定电流应与电路中运行的额定电流一致滤波器允许通过的额定电流应与电路中运行的额定电流一致.-2.安装安装 位置位置:电源线滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的电源线滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的 地方地方 引线尽可能短引线尽可能短 输入端与输出端屏蔽隔离输入端与输出端屏蔽隔离 良好的屏蔽接地良好的屏蔽接地-PCB滤波器滤波器滤波器滤波器PCBPCB滤波器滤波器绝缘层绝缘层PCB滤滤波波器器
