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。
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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。
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    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。

" ^! [$ 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

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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& 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。

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！

+ 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。
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% n$ f4 H! b3 ]# x/ o# j    截止频率
- L4 h1 V$ `( b+ K
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。
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. 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％）
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一般截止频率为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​。

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。

; X4 Q. [( ^0 [& [1 U# p: j典型电路如下图所示：

2 x! @! C% [% ~, 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。
; 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。
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! 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：



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
​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/ X


- f/ p# G* x4 M根据查阅的相关资料说明：
% p: N, w+ V1 L$ k! y
    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。
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* ~
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。

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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。
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; l! k" @! \/ O. g6 z) {+ `+ m

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。
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. 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
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& 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。
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& 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，
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1 J# j0 J  {% i0 M  ?" W

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



- F1 b+ M5 G5 x1 {2 M/ x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. 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。
在高频部分也出现了许多新型的滤波器。