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連載一:EMC中的基石-濾波知識大全

發(fā)布時(shí)間:2020-04-08 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】讓我們一起來看看處理EMC問題中最常用的手段-RC濾波。本文介紹了濾波的概念,并詳細(xì)說明了電阻 - 電容(RC)低通濾波器的用途和特性。
    
讓我們一起來看看處理EMC問題中最常用的手段-RC濾波。本文介紹了濾波的概念,并詳細(xì)說明了電阻 - 電容(RC)低通濾波器的用途和特性。

1、時(shí)域和頻域

當(dāng)我們在示波器上查看電信號時(shí),會(huì)看到一條線,表示電壓隨時(shí)間的變 化。在任何特定時(shí)刻,信號只有一個(gè)電壓值。我們在示波器上看到的是信號的時(shí)域表示。

典型的示波器很直觀,但它也有一定的限制性,因?yàn)樗恢苯语@示信號的頻率內(nèi)容。與時(shí)域表示相反,頻域表示(也稱為頻譜)通過識別同時(shí)存在的各種頻率分量來傳達(dá)關(guān)于信號的信息。

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連載一:EMC中的基石-濾波知識大全
正弦波(頂部)和方波(底部)的時(shí)域表示

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正弦波(頂部)和方波(底部)的頻域表示

2、什么是濾波器

濾波器是一個(gè)電路,其去除或“過濾掉”特定范圍的頻率分量。換句話說,它將信號的頻譜分離為將要通過的頻率分量和將被阻塞的頻率分量。

讓我們假設(shè)我們有一個(gè)由完美的5 kHz正弦波組成的音頻信號。我們知道時(shí)域中的正弦波是什么樣的,在頻域中我們只能看到5 kHz的頻率“尖峰”?,F(xiàn)在讓我們假設(shè)我們激活一個(gè)500 kHz振蕩器,將高頻噪聲引入音頻信號。在示波器上看到的信號仍然只是一個(gè)電壓序列,每個(gè)時(shí)刻有一個(gè)值,但信號看起來會(huì)有所不同,因?yàn)樗臅r(shí)域變化現(xiàn)在必須反映5 kHz正弦波和高頻噪音波動(dòng)。然而,在頻域中,正弦波和噪聲是在該一個(gè)信號中同時(shí)存在的單獨(dú)的頻率分量。正弦波和噪聲占據(jù)了信號頻域表示的不同部分(如下圖所示),這意味著我們可以通過將信號引導(dǎo)通過低頻并阻擋高頻的電路來濾除噪聲。

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3、濾波器的類型

如果濾波器通過低頻并阻止高頻,則稱為低通濾波器。如果它阻擋低頻并通過高頻,它就是一個(gè)高通濾波器。還有帶通濾波器,其僅通過相對窄的頻率范圍,以及帶阻濾波器,其僅阻擋相對窄的頻率范圍。

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還可以根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)電路的組件類型對濾波器進(jìn)行分類。無源濾波器使用電阻、電容、電感;這些組件不具備提供放大的能力,因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。另一方面,有源濾波器既可以濾波信號又可以應(yīng)用增益,因?yàn)樗ㄓ性丛?,如晶體管或運(yùn)算放大器。

基于流行的Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源低通濾波器

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4、RC低通濾波器

為了創(chuàng)建無源低通濾波器,我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。換句話說,我們需要一個(gè)由電阻器和電容器或電感器組成的電路。從理論上講,電阻 - 電感(RL)低通拓?fù)湓跒V波能力方面與電阻 - 電容(RC)低通拓?fù)湎喈?dāng)。但實(shí)際上,電阻 - 電容版本更為常見,因此本文的其余部分將重點(diǎn)介紹RC低通濾波器。

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RC低通濾波器

如圖所示,通過將一個(gè)電阻與信號路徑串聯(lián),并將一個(gè)電容與負(fù)載并聯(lián), 可以產(chǎn)生RC低通響應(yīng)。在圖中,負(fù)載是單個(gè)組件,但在實(shí)際電路中,它可能更復(fù)雜,例如模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器,放大器或示波器的輸入級,用于測量濾波器的響應(yīng)。

如果我們認(rèn)識到電阻器和電容器形成與頻率相關(guān)的分壓器,我們可以直觀地分析RC低通拓?fù)涞臑V波動(dòng)作。

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重新繪制RC低通濾波器,使其看起來像分壓器

當(dāng)輸入信號的頻率低時(shí),電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗高; 因此,大部分輸入電壓在電容器上(和負(fù)載兩端,與電容器并聯(lián))下降。當(dāng)輸入頻率較高時(shí),電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗較低,這意味著電阻器上的電壓降低,并且較少的電壓傳輸?shù)截?fù)載。因此,低頻通過并且高頻被阻擋。

RC低通功能的這種定性解釋是重要的第一步,但是當(dāng)我們需要實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)它并不是很有用,因?yàn)樾g(shù)語“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要?jiǎng)?chuàng)建通過并阻止特定頻率的電路。例如,在上述音頻系統(tǒng)中,我們希望保留5kHz信號并抑制500kHz信號。這意味著我們需要一個(gè)過濾器,從5 kHz到500 kHz之間的傳遞過渡到阻塞。

5、截止頻率

濾波器不會(huì)引起顯著衰減的頻率范圍稱為通帶,濾波器確實(shí)導(dǎo)致顯著衰減的頻率范圍稱為阻帶。模擬濾波器,例如RC低通濾波器,總是從通帶逐漸過渡到阻帶。這意味著無法識別濾波器停止傳遞信號并開始阻塞信號的一個(gè)頻率。然而,工程師需要一種方便,簡潔地總結(jié)濾波器頻率響應(yīng)的方法,這就是截止頻率概念發(fā)揮作用的地方。

當(dāng)我們查看RC濾波器的頻率響應(yīng)圖時(shí),會(huì)注意到術(shù)語“截止頻率”不是很準(zhǔn)確。信號光譜被“切割”成兩半的圖像,其中一個(gè)被保留而其中一個(gè)被丟棄, 不適用,因?yàn)殡S著頻率從截止點(diǎn)下方移動(dòng)到截止值以上,衰減逐漸增加。

RC低通濾波器的截止頻率實(shí)際上是輸入信號幅度降低3dB的頻率(選擇該值是因?yàn)榉冉档?dB對應(yīng)于功率降低50%)。因此,截止頻率也稱為-3 dB頻率,實(shí)際上該名稱更準(zhǔn)確且信息量更大。術(shù)語帶寬是指濾波器通帶的寬度,在低通濾波器的情況下,帶寬等于-3 dB頻率(如下圖所示)。

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該圖表示RC低通濾波器的頻率響應(yīng)的一般特性。帶寬等于-3 dB頻率

如上所述,RC濾波器的低通行為是由電阻器的頻率無關(guān)阻抗與電容器的頻率相關(guān)阻抗之間的相互作用引起的。為了確定濾波器頻率響應(yīng)的細(xì)節(jié),我們需要在數(shù)學(xué)上分析電阻(R)和電容(C)之間的關(guān)系,我們還可以改變這些值,以設(shè)計(jì)滿足精確規(guī)格的濾波器。RC低通濾波器的截止頻率(f C) 計(jì)算如下:

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我們來看一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)實(shí)例。電容值比電阻值更具限制性,因此我們將從常見的電容值(例如10 nF)開始,然后我們將使用該公式來確定所需的電阻值。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器,它將保留5 kHz音頻波形并抑制500 kHz 噪聲波形。我們將嘗試100 kHz的截止頻率,稍后在文章中我們將更仔細(xì)地分析此濾波器對兩個(gè)頻率分量的影響。

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因此,160Ω電阻與10 nF電容相結(jié)合,將為我們提供一個(gè)非常接近所需頻率響應(yīng)的濾波器。
 
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