《滤波技术》PPT课件.ppt

第六章 滤波技术,6.1 电磁干扰滤波器的特性和分类,6.2 插入损耗的计算方法,6.3 反射式滤波器,6.4 电容、电感的高频特性,6.5 有源滤波器,6.6 吸收式滤波器,6.7 反射-吸收组合式滤波器,6.8 电源滤波器,6.9 滤波器的选择和使用,将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两个频段，剔除干扰频率分量部分。,滤波的目的：,抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平，同时还可以保证设备整体或局部屏蔽效能。,滤波的实质：,是选择信号和抑制干扰。为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。,滤波的基本用途：,滤波器作用：选择信号，抑制传导干扰,工作原理：在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量容易通过。在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。,信号滤波器,电源滤波器,a 满足电源线干扰发射和抗扰度要求,b 满足信号线抗扰度及设备辐射发射要求,需要实施滤波的情况：,在高频系统中，抑制工作频带以外的任何频带上的干扰；,在各种信号电路中，消除频谱成分不同于有用信号的干扰 信号；,在电源电路、控制电路、转换电路中，消除沿这些电路的 干扰作用；,(1)插入损耗（IL）,6.1 电磁干扰 滤波器的特性和分类,衡量滤波器性能的主要指标。定义：,1.滤波器的特性：插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电压、电流，外形尺寸，可靠性、体积和重量等。,U1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。,IL与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。,(2)频率特性,插入损耗随频率的变化频率特性,按频率特性划分：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 使用频率等。,(3)阻抗特性：,滤波器的输入阻抗、输出阻抗,(5)额定电压：,输入滤波器的最高允许电压值,(4)额定电流:,不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流,使用EMI滤波器时，应遵循输入、输出端最大限度失配的原则，以获得最佳抑制效果；,使用信号滤波器时，应遵循输入、输出端阻抗匹配原则，以防止信号衰减,额定电流越大，滤波器的体积、重量越大，成本越高；,使用温度越高、工作频率越高，其允许的工作电流越小；,若输入电压过高，会使滤波器内部的元件损坏；,2.滤波器的分类：,3.EMI滤波器的特点：,工作在阻抗失配的条件下，源阻抗和负载阻抗均随频率变化而变化；,干扰源的电平变化幅度较大，EMI滤波器应具有足够高的耐压，以保证输入电压为脉冲电压或变化幅度较大时，其内部部件不会出现饱和效应，更不会被击穿或烧毁；,难以实现宽频段范围滤波。应首先明确滤波器的工作频率和 所要抑制的主要干扰频率，如两者非常接近，则需要选用频率特性非常陡峭的滤波器，将两者分离开来。,滤波器可视为一个具有输入输出两对端子的网络(无源）。,其中,端口网络的传输方程：,6.2 插入损耗的计算方法,输出端电压：,无滤波网络时，负载电压：,无源滤波器的插入损耗：,滤波器的输入阻抗：,滤波器的输出阻抗（移去US和ZL）：,6.3 反射式滤波器,用于抑制高频传导电磁干扰。具有衰减脉冲噪声、尖峰噪声、减少谐波和其它杂波信号的功能,如电源滤波器，对高于市电的频率进行衰减。,如数字电路中，滤除不必要的高次谐波，仅保留维持电路正常工作的最低频率；,如用于放大器和发射机输出电路，让基波信号通过，而谐波和其它乱真信号受到抑制。,6.3.1 低通滤波器（低频信号无衰减的通过、抑制高频信号）,电容的作用,通过并联一个低阻抗的通路，使干扰电流分流,电感的作用,通过串联一个高阻抗的通路，阻断干扰电流的流通。,电容和电感的作用,1.低通滤波器的电路形式,并联电容型；串联电感型；型；反型；T型；型等,（1）并联电容滤波器,若ZL=ZS=R时，则有,20dB/十倍频,C=500nF,并联电容滤波器的插入损耗特性,并联电容滤波器的插入损耗频率特性(),（2）串联电感滤波器：,并联电感滤波器的插入损耗频率特性(),20dB/十倍频,L=0.5mH,并联电感滤波器的插入损耗频率特性(),（3）型滤波器：,型滤波器插入损耗的频率特性,C=100nF,L=100H,40dB/十倍频,型滤波器插入损耗的频率特性(ZS与ZL不相等）,ZS/ZL的值分别为0.1/100,50/50,100/0.1,C=100nF,L=100H,将电容器并接于更高阻抗（源或负载）的一端，通常可取得最大的插入损耗,反型滤波器：,反射损耗同型:,插入损耗(ZS=Zl=R),C型：,型：,L型：,型：,T型：,低通滤波电路的滤波特性,滤波电路的插入损耗与两端端接电路的阻抗密切相关,同一滤波电路，当端接电路的阻抗不同时，其插入损耗可 能有很大的差异,当与电感端接的电路的阻抗很小，与电容端接的电路的 阻抗很大时，滤波电路有更好的滤波性能,在某些频率点，LC电路可能产生谐振，这种情况下，滤 波电路不仅不能对干扰进行抑制，反而会使之加强,3dB截止点：,截止角频率：,R=1,L=2H,（1）低通原型滤波器(,阻抗量级为1）,2.低通滤波器的设计,设预期截止角频率：，则,换算后,换算前,由原型滤波器设计实际滤波器,带宽换算,或,1,带宽换算,阻抗换算,设 为预期的阻抗量级，则,或,带宽与阻抗综合换算,Ca,例：设计阻抗为50，截止频率f c=1MHz 的1阶低通滤波器。,L型：,C型：,(2)n级滤波器,插入损耗与滤波器阶数（L、C器件数）的关系：,例：二阶原型滤波器：,对于n阶滤波器，插入损耗的斜率按20ndB/10倍频或6ndB/倍频增加。,增加滤波器的阶数仅增大了插入损耗的斜率，而不改变滤波器的截止频率。,三阶原型滤波器：,型,T型：,n阶原型滤波器：,确定滤波器阶数:,6ndB/倍频,20ndB/10倍频,462420至少3阶滤波器,例：设天线的工作频率为230MHz，输入阻抗为72，干扰频率 为6672MHz，要求带外衰减30dB，设计低通滤波器。,解：最低截止频率30MHz，取32MHz。最低干扰频率fi66MHz,则,要求：6ndB/倍频30dB，则n5，取n5。,换算：,5级原型滤波器的参数为,5级原型滤波器的参数为,换算：,根据阻抗选用滤波电路,规律：电容对高阻，电感对低阻,例如：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。,设计方法：对偶变换,6.3.2 高通滤波器,网络结构将低通滤波器网络中所有电容器与电感器互换,低通,高通,将高通原型滤波器电路中各L、C和R值按低通滤波器相同的方式进行参数变换,将低通原型滤波器电路中各L值和C值取其倒数作为高通原型滤波器对应的C值和L值,Lh,例：设计一个高通滤波器，指标要求：,解：,即12ndB/4倍频70dB，则n6,高通原型元件值：,低通原型：,6阶低通滤波器,换算出高通的最终元件值：,3.4.4 电容、电感的高频特性,谐振点：,1.电容的频率特性,引线长1.6mm的陶瓷电容器,阻抗频率特性,陶瓷电容谐振频率及阻抗,对滤波特性的影响,提高谐振频率的方法：尽量缩短引线长度；,当角频率 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感阻抗特性随频率的升高而增加，滤波效果开始变差。,选用电感较小的种类。,一个常见的错误：加大电容量来提高干扰抑制效果。,谐振频率越高越好,巧用谐振点：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。,实际上超过1F的电容大多为电解电容,有很大的电感成份，所以频率升高后反而阻抗会增大.并不能明显提高干扰的抑制 效果。,克服电容非理想性的方法,宽带干扰信号，以上。,大小电容并联：大电容谐振点低，小电容谐振点高。大电容抑 制低频干扰，小电容抑制高频干扰。利用小电容弥补大电容高频特性的不足,电感并联,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 容性。构成LC并联网络，在某个频率点上出现并联谐振。,三端电容：,问题：第三端引线的电感，以及引线间寄生电容造成输入端、输出端耦合,在引线上安装两个磁珠，滤波效果会更好,使用三端电容器,1 干净地2 与机箱或其它较大 的金属件良好搭接,接地点要求：,穿心电容：（馈通电容）,结构：,穿心电容特点：接地电感小；输入输出无耦合。,以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波,单独进出的电缆线滤波。,穿心电容的插入损耗,改善滤波器的高频特性,并联电容滤波时，高频滤波效果比预想的较差，是因为并联电容两侧回路之间的互感，可采用四引线电容的方法，改善滤波器的高频特性。,谐振点：,2.电感的频率特性,绕在铁粉芯上的电感,R,C,低频模型,高频模型,理想电感,实际电感,阻抗频率特性曲线,阻抗频率特性,电感寄生电容的来源,磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。,关键减小寄生电容,单层绕制,多层绕制方法：边绕边重叠,分段绕制,多电感串联,克服电感线圈非理想性的方法,3.4.5 有源滤波器,方法：采用电路技术模拟电感和电容特性。,特点：功率大，体积小，重量轻,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，对高频成分形成高阻抗电路。,对于低阻抗电路更为合适。,有源电容滤波器：用有源器件模拟电容元件的频率特性，对高频成分形成低阻抗电路。,Z0,对消滤波器：产生与干扰电流振幅相等、相位相反的反馈电 流，抑制干扰。,用于抑制电源线路干扰的对消滤波器,3.4.5 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 能量消耗在滤波器中。,1.铁氧体磁心,低频：呈现电感性阻抗。磁导率高，损耗小。,高频：阻抗呈现电阻性。随频率增加，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 热的形式耗散。,铁氧体的阻抗特性,将铁氧体材料制成环状磁心，与从中穿过的导线构成有损电感，可以起到滤除高频电磁骚扰的作用。,铁氧体的阻抗特性,铁氧体等效电阻,i 铁氧体长度,铁氧体磁导率的实部,铁氧体磁导率的虚部,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，将在铁氧体中产生磁场。当磁场强度超过一定量值时，铁氧体发生磁饱和，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。,使用铁氧体磁心时，注意：,1）铁氧体磁心的最佳抑制频率与其材料的初始磁导率有 关。一般地，初始磁导率越高，其适用抑制的频率就 越低；,3）磁心在电路中的阻抗与所绕导线匝数有关，匝数多 则阻抗大，但易饱和，且线间分布电容大，对高频 特性不利；,2）不同的应用场合，选择不同形状的铁氧体磁心材料；如珠形、环形、多孔形等，磁心尺寸应与导线直径配合。,4）当用于电源线差模滤波时，由于工作电流大，磁心易 饱和，从而导致阻抗下降和插入损耗减小。因此，应 增大磁心截面及选择具有高饱和值的材料，或在两个 半环间留有一定的缝隙。而用于共模滤波时，两根电 源线的工作电流方向相反，可以相互抵消，磁心不会 饱和。,5）铁氧体磁环应尽量靠近干扰源安装。对于屏蔽机箱 上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。,2.电缆滤波器 将铁氧体材料填充在电缆 中制成电缆滤波器。,特点：体积小，具有理想的高频衰减特性。,3.滤波连接器 将铁氧体直接组装到电缆连接器内。,3.4.6 反射式和吸收式混合使用,一般滤波器产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。,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。,3.4.7 电源线滤波器,作用：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。,电源线中的干扰：共模干扰和差模干扰,使用电源线滤波器时，注意电源线的特殊性。,滤波器中的串联电感L值不能取得过大，否则会产生较大的电源压降，影响正常供电；,滤波器中的接地的并联电容C值不能取得过大，否则对地漏电流增加，可能会超出限值而影响人身安全或引起漏电保护。,3.4.8 滤波器的选用与安装,1.选用,干扰频率、干扰量级、环境条件,滤波器的选择,额定电流：设备额定电流的1.2倍,额定电压：约大于设备额定电压,插入损耗:厂家所给出的值，一般是在50/50标准测量法下测得的，应在设备实际需要的插入损耗上再加上20dB的余量。,注意插入损耗的增益问题,在选用信号线滤波器时，应仔细考虑其截止频率。信号线滤波器的截止频率定义为插入损耗为3dB时的频率。截止频率的选择必须保证滤波器的带通覆盖功能性信号的带宽，保证设备正常工作，同时最大限度地滤除不必要的高频干扰。,对于数字脉冲信号，其截止频率可定为1/tr，tr是脉冲的上升/下降时间；对于周期性脉冲信号，可以取脉冲重复频率的15倍为截止频率。,对于模拟信号，只要截止频率大于信号的带宽即可；,滤波器的选择,滤波器的滤波性能与设备的阻抗特性密切相关,滤波器的滤波性能可能随设备运行状态的变化而 改变,滤波器是否满足要求只能由实际的测试来确定,不存在通用或普适的滤波器!,2.安装,位置:滤波器应安装在离设备的入口/出口尽量靠近的地方,引线尽可能短,滤波器对电磁骚扰的抑制作用，不仅取决于滤波器本身及工作条件，还与安装有关,输入端与输出端引线应拉开距离，严禁并行走线和交叉走线。尽可能实现屏蔽隔离。,良好的屏蔽接地,滤波器的屏蔽外壳必须与设备的金属机壳实现可靠的电气接触，设备的金属机壳应可靠接大地。,本章作业：5.15 5.16,设计一个滤波器，截止频率为2MHz，在1MHz以下的最低衰减为20dB，电源阻抗和负载阻抗为600。1.5mm厚铝板，对距离10cm处的带有高压电容的LC高频回路进行屏蔽，试求工作频率分别是1MHz和5MHz时，铝板的屏蔽效能,