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无源滤波器设计与选型

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发表于 2023-3-6 13:59 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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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。
: V) a( ~' `( V' {# M# x7 K: Q5 M6 r6 G% T
有源滤波器就需要用到运放等。
. |( F: e  M3 P1 G( p/ A1 y' R7 [7 c, C% I/ V' l
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。
5 h. n# I: Y) s5 @6 p7 F  i2 I2 S2 N3 l, G. l3 F7 k8 c
    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。/ ~4 R  u! o3 B/ d4 {4 G

" ^! [$ B+ j+ [6 V' I3 c因此在这里不建议在LDO后面再添加LC滤波。
+ d$ a$ v  M1 F1、RC滤波器# m- D) ^# a* G# Z8 j
4 I, F, }; s5 j% w* ?! k3 S. O
RC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。
( m% J7 J8 ^( j  k  {; c( k& f' d9 N, b& R/ N

& Q9 {( O! v4 a+ w
' X$ c4 I6 f+ c, q. X3 G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)
: Q3 ]- Y' _/ b2 }4 N
" o! S0 C& J& [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。& [- P6 u) K- N+ ~6 Z8 O

6 w% L- }( c! U- t因此,低频通过并且高频被阻挡,这就是低通滤波器!$ h& a; `& a8 X. ~: {% M- D0 g

+ I$ l: s. M+ D; I: [& p4 w0 R6 z4 \5 s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。
' M, k6 D0 H' V  L; u
% n$ f4 H! b3 ]# x/ o# j    截止频率
- L4 h1 V$ `( b+ K) k+ e$ @9 `5 M' V( H& A. [! P
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。
9 Y, Y* _& K* A
. i9 X3 N' Y3 g  URC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%)
0 z  S, b+ g* {* k$ Y, V0 x" F+ o0 v
/ m" ?  {# B  r, X, `( _4 t! ^) C
7 d% d! _+ v6 b* I/ ]# N1 `1 j& }) Z( P1 z1 h+ @( a
一般截止频率为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​。, l9 F, S0 x$ R2 w: Q( p' i7 m
0 l% |6 a2 ?" c5 T
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0 {, o; a% O( V1 c
2、π型RC滤波器+ v& @' P* x, L
3 `" V& R. A# j+ U* ^8 ~; E% ]6 f
RC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。' h3 c. p/ `; v0 ~0 U+ K5 n

; X4 Q. [( ^0 [& [1 U# p: j典型电路如下图所示:/ y+ ?$ B; q: g" [

2 x! @! C% [% ~, a 9 J& T2 a* O" T( E' z  N; h+ s1 P
- l. Q6 x) [: |% Z# p) W3 M; g
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。
; r0 r8 X: y( q  M( B3 e1 H- x5 `. N
7 N  s) P1 X" q# ^7 A9 g# o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。
) B# h* X! f: w7 Y
! b+ S& D$ g0 K6 l+ v3 |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。
) x% O% q$ ~6 k& S6 `# S7 S( G3、LC滤波器
2 X6 V' ~. w) d" c7 t* ]2 u
9 I, p& C# s) v, K$ \& y下图是LC滤波器的电路图:3 z. |  p- v+ I( P5 E3 f
! O6 k$ s; ^( @/ J
, u/ Z  \6 s$ O: x/ O. ]/ C6 b$ `- C

4 T- ]2 R; X" d1 |1 i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
' U9 A2 Z$ d; v7 l2 o% o* f  o- I8 Q- p- e6 N$ f
​1​。
( Q" k: C$ {) c" q
: ^' s; J$ b- d& i* r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。
* {5 b4 V4 Y! A3 j/ X2 l$ |* z( S7 k4 l( `* y: T
6 r5 {4 \5 X6 F2 O8 E0 ^  \# `! x

- f/ p# G* x4 M根据查阅的相关资料说明:
% p: N, w+ V1 L$ k! y) A3 b2 M1 d* G8 Q) Z' K, ~$ m% \
    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。
8 o) P1 t+ i$ W* u: s% ?3 G
  _) f. [* c: y3 s& P% a有待以后验证。) h5 d' M2 H  |) f
4、π型LC滤波器
8 M. Z4 c9 K, F3 A+ j
# W( P; d0 Q* [; [* v分析思路基本上与π型RC滤波器差不多,在此不做赘述。
$ y) |9 d7 E# X$ ^- f5、实际应用
$ a) L$ {8 N' y; }" W6 f! `( u* ~. V4 Z* K/ y3 l7 S  l
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。' f% ?. i9 z2 o5 Y# M

7 H- a/ C7 L8 x1 d% n[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)()]
  w0 O5 f! O2 T8 [4 ~
1 m( _# d# O; ^3 c% _7 }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。
+ Y7 X' g* D4 K  u) X6 ~
; l! k" @! \/ O. g6 z) {+ `+ m ! f& n7 K8 C+ _' `
  v8 d' p2 `; x; z; Z" Y2 \# s
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。
6 @1 J" v) l- c+ ~% B( R
. h0 E% s( C" s, ^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
/ z- n, H+ `* [' J0 K/ t8 I: H' `4 \) ?- o! \' M  K7 z+ H% x

& D: T, X5 k/ b: p
8 \6 E; t9 P$ d1 l$ ]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。
1 Q% X! P" b. Z3 |
& x+ m8 O/ c% L3 N, Q+ E. P' r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,
6 A9 v" A# B9 D* b
1 J# j0 J  {% i0 M  ?" W / X+ w2 v& _( b+ U
. _: C4 \0 }' i  d$ l% [3 u9 g
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  Y, O9 i' q! s9 I: ]4 O
6 t, A/ J( F4 Z# g% u4 a
2 E' r  @# w; D

- F1 b+ M5 G5 x1 {2 M/ x基本上只剩下高频毛刺信号了。  T9 |1 t# o" |" x; l# ~- m

7 m0 D! ?4 |& {0 Z$ a6 E9 C# l

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发表于 2023-3-6 15:58 | 只看该作者
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

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3#
发表于 2023-3-6 16:32 | 只看该作者
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

该用户从未签到

4#
发表于 2023-3-6 16:58 | 只看该作者
电子设备日趋小型化。
. f. w  v8 @6 _8 w' @原来为处理模拟信号所不可缺少的LC型滤波器,
; k! K8 D! k& }! b: k$ c% s8 Z在低频部分,将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。3 l, o2 L8 R$ K
在高频部分也出现了许多新型的滤波器。
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