无源滤波器设计与选型

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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。

0 u/ g- z; Y' [: X; ]/ z有源滤波器就需要用到运放等。
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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。

6 ^2 O, e8 \: g2 g% I    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。
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# C4 K' P' M" G9 {: ~因此在这里不建议在LDO后面再添加LC滤波。
1、RC滤波器

/ |; K0 e/ v" F" y8 s5 [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。


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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）
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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。
% ^. J5 u9 Q5 j. X+ r( o
* H' }. `8 y) k' D因此，低频通过并且高频被阻挡，这就是低通滤波器！
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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。

9 ~" D! C" Y: U4 G! T" n    截止频率
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" O) ^& z6 Y9 H/ v, g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。

+ l: D; t1 A1 ^RC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％）

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: _2 O5 g) l0 b3 w& w3 j一般截止频率为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​。
! e/ d: Y/ K. h$ ]. C8 Z: w9 U% M
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

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。
  R! y1 c- U* }$ U2 a# p! W
6 ~" z1 `: L5 @$ Y9 Z  v典型电路如下图所示：

7 |1 F1 u4 W/ w% p* u$ V9 q! r2 ^2 H
2 K' Y+ c+ ~% s6 E; c' I- f
0 ], M9 G* ~5 h7 b2 z7 A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。
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  K, x1 J* a: w% O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

* z  m4 r7 w. \0 x下图是LC滤波器的电路图：



# w: w3 Z5 o( d( A: r5 O' \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

​1​。

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。



根据查阅的相关资料说明：
7 |8 H/ V4 s. }/ w! w, T0 S: @. m" e
# b; I7 y3 r5 P& }' L3 ~    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。

" b- m9 K3 R, R) o1 n/ X/ E有待以后验证。
# ?7 s4 V! d% o2 O, k2 N4 ^4、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
0 k) f) e% ^' v, y5 ~
. u) i1 ~  u# f+ R6 @* {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。
5 l% H/ u* r5 t, c0 A2 R+ x' V
+ f1 R* o4 B. W1 u3 f. ]" ]" U6 k3 \[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)()]

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。

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1 A! {/ J/ o. u3 Q1 s+ U9 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。
! h. [, ^: y& {3 Y  l1 a0 R" d: d
& Q- i3 g, J5 `* `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


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/ B0 c( y/ J& o. J! C. e% F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。
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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，

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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
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3 v7 q" \; |/ r! Z1 T9 B' d) t基本上只剩下高频毛刺信号了。

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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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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

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电子设备日趋小型化。
. F, ~4 h4 R% h1 d原来为处理模拟信号所不可缺少的LC型滤波器，
0 i8 D/ ^' ?5 h+ N1 M3 m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。