滤波器的原理特性及选型介绍

　　导读：滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。本文主要对滤波器的原理、特性、常见种类及滤波器的选取。本文旨在通过前面部分的介绍从而提出参考性的意见帮助电路设计人员确定在哪种场合该选用哪种滤波器。

　　一、滤波器的原理特性

　　1.滤波器的原理介绍

　　滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号。滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。

　　2.滤波器的技术特性

　　（1）特征频率：

　　a.通带截频fp=wp/（2p）为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限；

　　b.阻带截频fr=wr/（2p）为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗下降到一人为规定的下限；

　　c.转折频率fc=wc/（2p）为信号功率衰减到1/2（约3dB）时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频；

　　d.固有频率f0=w0/（2p）为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。

　　（2）增益与衰耗

　　滤波器在通带内的增益并非常数。

　　a.对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w→∞时的增益；带通则指中心频率处的增益；

　　b.对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数；

　　c.通带增益变化量△Kp指通带内各点增益的变化量，如果△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。

　　（3）阻尼系数与品质因数

　　阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。

　　阻尼系数的倒数称为品质因数，是*价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/△w.式中的△w为带通或带阻滤波器的3dB带宽，w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。

　　（4）灵敏度

　　滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy,定义为：Sxy=（dy/y）/（dx/x）。

　　该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。

　　（5）群时延函数

　　当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性∮（w）也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d∮（w）/dw*价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d∮（w）/dw越接近常数，信号相位失真越小。

　　二、滤波器的常见分类

　　1.根据滤波器的选频作用分类

　　（1）低通滤波器。从0~f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。

　　（2）高通滤波器。与低通滤波相反，从频率f1~∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

　　（3）带通滤波器。它的通频带在f1~f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。

　　（4）带阻滤波器。与带通滤波相反，阻带在频率f1~f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

　　2.按所采用的元器件分类

　　（1）无源滤波器。仅由无源元件组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

　　（2）有源滤波器。由无源元件和有源器件组成。这类滤波器的优点是：通内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽；缺点是：通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。

　　3.根据“逼近特性”标准分类

　　（1）巴特沃斯滤波器。从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性。巴特沃斯滤波器具有平坦幅度特性，其幅频响应表达式为：

　　（2）切比雪夫滤波器。切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅频响应表达式为：迨蔷龆ㄍùㄎ拼笮〉南凳ㄎ频牟怯捎谑导事瞬ㄍ缰泻械缈乖籘n是类切贝雪夫多项式。与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。逯翟叫。ù鸱叫。刂蛊德实闼ゼ醯姆直粗狄苍叫。胱璐笏ゼ跆匦员浠郝G斜囱┓蚵瞬ㄆ饔氚吞匚炙孤瞬ㄆ鹘斜冉希斜囱┓蚵瞬ㄆ鞯耐ù胁ㄎ疲纱岫钢保虼耍诓辉市硗ù谟形撇ǖ那榭鱿拢吞匚炙剐透扇。淮酉嗥迪煊纯矗吞匚炙剐鸵庞谇斜囱┓蛐停ü厦娑急冉峡梢钥闯觯罢叩南嗥迪煊Ω咏谥毕摺

　　（3）贝塞尔滤波器。只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。

　　一般来讲，低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。

　　三、滤波器的选取

　　滤波器的选取需要考虑以下几点因素：

　　1.电压。这个电压值要求是一个范围，是稳态电压±纹波电压的综合。

　　2.电流。电流的指标很关键，它决定了滤波器内部的电感的绕组铜线和引出线的线径。如果选细了，细导线上跑大电流，如小马拉大车，会引起严重发热以至烧毁。这个电流也是一个范围，稳态电流+波动电流的值。

　　3.电磁兼容标准要求。既然是滤波器，为的就是滤掉一些不期望的频段，而滤除的效果一般是由EMC测试标准和现场应用的直观结果来确定。尤其是电源滤波器，能确定用此滤波器的产品需要通过的是哪个标准，根据标准要求的不同，在选择时也有其特定的测试频段要求。

　　电源滤波器的主要针对指标是传导发射CE和传导抗扰CS,信号滤波器的则主要看EMC标准里对不期望输入频段和不期望输出频段的要求了。比如无极灯用的整流器，本身就是一个开关工作状态，会有对外的发射，EMC测试时候会重点检查其开关频率以及其高次谐波成分的传导干扰，滤波器就需要针对这些特定频段或频点具有足够的滤除效果。

　　4.安规标准要求。读者可能会觉得奇怪，选滤波器，说安规标准干啥？这是因为滤波器一般用在电源输入端和板卡的接口处，这些部位都是安规问题的重灾区。等于是滤波器一身承担了多个要求。与滤波器有关的安规重点是三个指标：绝缘耐压、漏电流、剩余电压剩余能量。

　　绝缘耐压打LN对地的绝缘强度，考验的是Y电容的耐压值，Y电容大了，漏电流就会大，容易导致安规要求上的漏电流超标，现在有部分厂家设计上就采取了输入端无Y电容设计（如图）。这样LN对G就成了LN通过L1、Cy1、Cy2、G’对G了，而G和G‘是不连的。如果采用了输入端接Y电容的方式，即将Cy1和Cy2放到前面R的左面来，则测试时须注意绝缘耐压的设定和漏电流的大小是正相关的，不超过20mA.曾经遇到过差点被退货说滤波器安规不合格的情况，经查是1500V时漏电流设定为2mA（应为5mA），测试仪器报警就是正常的了。另一个问题就是R的选择，有好多厂家的滤波器没装这个电阻，在拔掉插头后，在较短的时间内，去摸电源的插口，如果会有被电的感觉，问题就出在没装这个电阻上。这是个高耐压、起泄放电作用的功率电阻。

　　5.滤波器电路结构形式。电路结构形式和期间的参数选择是滤波器的，但就是在这一部分，应用工程师的选择常常两眼一摸黑着选，虽然大多时候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的设计方式，浪费资源、埋留隐患的可能性就大大增加。

　　6.插损曲线。滤波器的插损测量当不得真。举例来说，如果我们发现100KHz超标13dB,选择了一款滤波器，从插损曲线上看出其在100KHz时的插损是20dB,觉得此滤波器用上去就肯定就没问题，那就错了。另外，插损分共模插损和差模插损，一般对30MHz以上的干扰，选择共模插损满足上面要求的滤波器，10MHz以下的干扰选择差模插损满足要求的滤波器，对上例100KHz,选择差模插损33dB的滤波器。

　　7.安装工艺规范。滤波器的安装是仅次于电路结构形式和组成器件指标的技术要素。主要体现在滤波器的位置、接地的措施。位置要求靠近输入或输出端，为的避免输入端输出端线缆上的高频干扰辐射出来影响到其他电路；输入线输出线不得并行走线，不得靠近走线，以免相互串扰造成该干净的干净不了；滤波器课题是金属壳体，接地要求面接地而不是线接地，须保证整个面与地接触良好，不能仅靠固定引脚的螺丝或上面引出的接地导线来接地，导线接地的引线电感量大，高频接地阻抗偏高导致高频接地不良，滤波效果不好；接地线缆不宜用拧接方式，必须选用焊接方式。

　　8.滤波器的Q值。Q值对实际滤波效果影响倒不大，但Q值代表的是损耗 / 输入功率，Q值越高，说明损耗越大，意指会有部分能量在滤波器的电感上被损耗掉。在一般的低功率电源滤波器和信号滤波器上，此问题不会太突出。但在较大功率的滤波器上，这个损耗不可小视，一是会引起发热，发热后的电容会引起较大的负面影响，漏电流、耐压、容值等都会随温度变化而变化；二是耗电量大会导致无谓的电损失。