无源滤波器设计与选型

tick_tock

无源滤波器，顾名思义，就是不需要额外提供电源。滤波器一般是由电容器、电感和电阻适当组合而成。

0 }4 ]. y+ \: p有源滤波器就需要用到运放等。

无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合，一般我是用来接在DC-DC的电源后面消除纹波干扰，因为DC-DC电源虽然效率高，但是由于开关管的噪声会导致输出电压具有纹波，这种直流电压如果直接给运放等芯片供电的话明显是不合格的。
1 ^, \& v: `; `3 f0 t
! e  c, k  i  B, ]* D& ?$ O    在B站的一篇文章里写到LC输出滤波器可以抑制电源的高频纹波，可以与电源故有的输出电容构成π型滤波，受到大家的喜爱，但它对电源的动态性能有巨大影响，有可能引起自激振荡。这是由于LDO内部有着极为复杂的补偿电路，但它基本为阻性负载设计。
7 |# ?1 R3 ]9 L( N6 m$ C3 o
$ R+ u, M/ n& t1 `) x因此在这里不建议在LDO后面再添加LC滤波。
1、RC滤波器

# R' Q; E" K( r7 ERC滤波器实际上是电阻器和电容器形成的与频率相关的分压器。


6 s5 y' r3 u( s) p8 q
当输入信号的频率低时，电容的阻抗相对于电阻的阻抗高， 因此，大部分输入电压在电容上（即负载两端）

当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低，这意味着电容上的电压降低，并且较少的电压传输到负载。

因此，低频通过并且高频被阻挡，这就是低通滤波器！
8 ?: r5 X6 H) y6 p6 s
3 \6 j5 X+ ?/ }5 b( \* l! i$ w. q' H当然，这是一个定型的描述，在实际电路设计中我们需要一个准确的，能定量描述的方式帮助我们设计电路。

8 V4 w( d+ a% H  I- w% G    截止频率

信号在经过滤波器以后不会引起显着衰减的频率范围称为通带，显著衰减的频率范围称为阻带。
. z& ]  A/ K; ^) S
: {& A: F( F& iRC低通滤波器的截止频率实际上是输入信号幅度降低3dB的频率（选择该值是因为幅度降低3dB对应于功率降低50％）

3 z- ^7 |$ Q$ A0 {- [$ x

- t! F6 \6 i* u* k3 Q一般截止频率为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​。
/ @) y, J7 @( b$ C$ a& W
, y# s5 R/ }) e# x更加具体的内容可以点击这里通过ADI的中文科普了解，比如理论计算、二阶RC等等。在此特别感谢ADI的资料~真的特别喜欢ADI这家公司
2、π型RC滤波器
$ Q0 j, f, T2 o4 Y$ b3 z$ W2 `' R
' }0 w0 A9 g+ Z1 P6 T" {2 `0 W/ nRC滤波一般用在电流小要求不高的电路中，因为电阻要消耗一部分直流电压，R不能取得很大。

典型电路如下图所示：



( V& A8 u! v1 {! n电路中的C1、C2是两只滤波电容，R1是滤波电阻，C1、R1和C2构成一阶π型RC滤波电路。

从IN输入端进入的电压首先经过C1的滤波，将大部分的交流成分滤除，再加到由R1和C2构成的滤波电路中，电容C2进一步对交流成分进行滤波，有少量的交流电流通过C2到达地平面。

1 \7 ^8 M: N7 Y+ b# }此处加大C1、C2的容量可以获得更好的滤波效果。由RC滤波器我们可以知道如果C2容量不变，加大R1也可以获得更好的滤波效果，但是R1会造成压降，所以不宜太大。
3、LC滤波器
2 ]  S6 c. v' o" e: e
- \6 {/ l: }% K下图是LC滤波器的电路图：


% V% U2 h7 Z, ?
7 E; ?% I: x! I# g% @  t6 ?5 Q  L其中LC滤波器还有一个谐振频率，它和截止频率一样是 f c = 1 2 π L C f_c=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}} fc​=2πLC
3 p& ]. w7 x4 i  ~9 x+ l
​1​。
$ n! X, W! s- ^: c5 `1 V: D
1 ?2 ~( p+ D  a+ F1 |# C3 V值得注意的是：我在MULTISIM仿真中发现他在截止频率的时候，其实不是-3dB，刚好在拐点这里。

7 G. c/ |1 E% R$ w" c3 c* u

3 a7 b) Q+ ~0 A5 B根据查阅的相关资料说明：

    LC低通滤波器的截止频率没有以0.707倍定义，而是直接使用了谐振频率点。
" Q- {8 K) o+ Q# F* D+ ]4 ]& n/ N
有待以后验证。
5 `0 i$ f4 k  V7 p7 z4、π型LC滤波器

分析思路基本上与π型RC滤波器差不多，在此不做赘述。
5、实际应用

在单车项目中我用了TI公司的TPS5430芯片，这个应该是我目前以来用过最顺手的芯片了，可以以较少的外围电路完成5V3A的输出，现在我需要对他进行一次后级滤波来减少纹波的干扰。图中红框部分是π型LC滤波器。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TVPLqc01-1628143419464)()]

4 C( `  d9 q6 l$ H$ A$ y2 c根据datasheet可知，开关管的频率是固定的500KHz，所以会引入的纹波噪声频率也为500K左右。
0 s5 \7 r& W; _. G1 e

6 Q# j' p7 I* W% k8 M, o
6 L! ]) l2 V$ M+ e+ ?1 M' C通过示波器也可以看出频率大约在500KHz，幅度 V p − p = 20 m V V_{p-p}=20mV Vp−p​=20mV。

. d3 }2 L5 U$ T. o! X  h这里示波器读出来的频率明显不准确，主要是纹波上叠加的高频噪声太多了，此时频率计算应该是 f = 1 2 d i v ∗ 1 u s = 500 K h z f=\frac{1}{2div*1us}=500Khz f=2div∗1us1​=500Khz

1 q8 e/ k* a/ E0 O; k& L7 C* R2 f

$ x: ^  Q" i7 o我们再通过第三节介绍的LC滤波器中截止频率的公式，我在这里可以设计的π型LC滤波的参数为10uF，100nH，1uF。

; K2 z6 |( L, n; ~3 X/ ^! e/ K# r! A0 w可以看到纹波明显变小了（此处一格为2mV），此时峰峰值为 V p − p = 4 m V V_{p-p}=4mV Vp−p​=4mV，



此时，我们再次减少滤波电路的截止频率，使用10uF，33uH，22uF的参数，可以看到
8 B7 |/ x" e: S

# o- t' l4 X4 S6 T, S; I
基本上只剩下高频毛刺信号了。
1 Y5 _$ u7 Z$ Q( k" [4 C
; p& Q, x  F( f2 F2 ~" q6 q, h

jack_are

滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高

Crash

微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类器件都是多频率工作的，都需用相应的滤波器

VIC56

电子设备日趋小型化。
, r0 V+ U" ]5 p. F- z& u1 @原来为处理模拟信号所不可缺少的LC型滤波器，
在低频部分，将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。
在高频部分也出现了许多新型的滤波器。