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。

1 e- [3 g' I* j$ Y有源滤波器就需要用到运放等。

' v; F0 ?: k! x5 B. o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。

    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。
  l. ~' O1 y& u4 H/ T& u+ o
! u7 \0 ^' r4 n因此在这里不建议在LDO后面再添加LC滤波。
1、RC滤波器
" ]! `- [. Y' C' R
" `1 F1 |( y' Y$ C$ N- g  {+ _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。


; [" c3 |1 ?; i* R7 j0 F
& y% E: l/ ]( w, @' r4 X" j. M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。
$ W; n2 ]1 q" ]" r
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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* |! z% S  ]' e7 g" |( E7 l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。
' D: d- k2 T# y) p# R
    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。

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％）


' _) w& b6 B' ]. n0 |( u/ T3 v! M
一般截止频率为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​。
! |  e0 T  G1 t( q  v/ o5 X
6 B% u: M- e* e0 O+ ]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
6 c$ t0 S1 e! c! ~& P% o. P# P2、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。

/ _3 z; A) _' Y6 \& n) P9 O0 t典型电路如下图所示：
0 Y* }# Z2 j1 L) X% E5 c& i* G8 j
8 Q9 M! h. |* X. O8 t
9 _/ @' `, t8 |" w; Q
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。

9 b( A0 A) c, `' l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 q; \$ V$ @/ I- m0 H
  W6 f! }1 ~* }% _' f; ?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。
; W, i6 k0 A) ~, K" Q3、LC滤波器

& G( h: N# \2 T. _0 r下图是LC滤波器的电路图：
; e* I0 L4 d2 S& }! b- A8 ^
( C, o! Z( k1 Q- l0 B% y
# b. H8 A# r1 L8 @$ I$ R
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
+ `; D5 O6 v$ M, q* i
​1​。

; ^4 l; V, e' n4 g0 j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。


2 [( u/ q+ A" a; N, C
) c# F" G$ b2 {+ o" o. \  }/ h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。
* z- T. G) D: ]/ I4 I( p
有待以后验证。
3 \3 m# @5 J  b6 C0 F4、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

7 }. x8 |- S0 N0 S3 ~" c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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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。


6 k3 O# v+ s/ S# X1 i" W  O- [# v
) g/ W+ X2 d- f6 V2 o" i7 v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。
# F* E+ [: A( Y& d' L7 \3 q, T* Q! i
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

; @9 T  s; q9 V3 ?- X
; f: u/ a3 ?; j4 X
( U3 w- q% y2 e0 y0 m- P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。
7 [; D" ^3 z$ p" o9 ~
4 y- k, ]' C. }6 U% |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，

- J( ~5 C. M# O, `
- ]+ T# h% @+ ~5 ?$ [) B, U5 R
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
  l6 F) X- G9 A) U  q
& M% O+ _7 d. K% @" \& B
0 o8 P8 H, ~* T  K
基本上只剩下高频毛刺信号了。

# A7 h' Z9 }1 B9 _- ?

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。
原来为处理模拟信号所不可缺少的LC型滤波器，
0 q# u: {& H2 x5 z8 J在低频部分，将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。
1 a# m4 T' |- l' E" t4 S在高频部分也出现了许多新型的滤波器。