滤波器的频率分析

滤波器的频率分析

摘要：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。滤波器对实现电磁兼容性是很重要的。本文所述内容主要有滤波器概述及原理、种类等。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。故对常见滤波器中低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，EMI 滤波器，从频率出发，进行特性分析。

一、引言

滤波器，是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

二、原理

滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号

利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。

滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为

XL·XC=K2

故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率

者，称为m常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于0～1之间。当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。

三、特性分析

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，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。

低通滤波器与高通滤波器的串联

低通滤波器与高通滤波器的并联

(5)EMI滤波器

电磁干扰滤波器，又名“EMI滤波器”是一种用于抑制电磁干扰，特别是电源线路或控制信号线路中噪音的电子线路设备。

电磁干扰滤波器的功能就是保持电子设备的内部产生的噪声不向外泄漏，同时防止电子设备外部的交流线路产生的噪声进入设备。

因为有害的电磁干扰的频率要比正常信号频率高得多，所以电磁干扰滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。基本上，电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过，同时它还是一个高频截止器件，电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。这样，电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

EMI滤波器的频率特性分析:

(1)基本结构

EMI滤波器是由电感和电容组成的低通滤波器。其一般的拓扑结构如图1所示。

图1 EMI滤波器一般的电路拓扑结构

C X是差模滤波电容，C Y是共模滤波电容；L1为共模扼流圈，L2为独立电感。滤波器共模等效电路和差模等效电路分别如图2和图3所示。其中，L e为共模扼流圈的漏电电感.

图2 共模等效电路

图3 差模等效电路

由图2所示的共模等效电路可以得到图4所示共模电路简化等效图。其中L cm =L1 +0.5×L2 ,C cm =2×C Y。由图3所示的差模等效电路可以得到图4所示的电路形式。其中L dm=L3+2*L2,C1=Cx+0.5×CＹ。由于一般共模电容C Y远小于差模电容C x，所以可以认为C1＝C2。

图4 共模化简等效电路

图5 差模化简等效电路

(2)插入损耗

EMI滤波器对干扰信号的抑制能力用其插入损耗(IL)来衡量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从干扰信号源传输到负载的功率P1，和接人滤波器后，从干扰信号源传输到负载的功率P2之比，通常用dB表示，滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量以及源端、负载端阻抗有关[3]。插入损耗可以表示成式(1)的形式

IL=10logp1/p2=

20log(a11R L+a12+a21R S R L+a22R S/R S+R L) (1)

其中，R S和R L分别是源端和负载阻抗，a11,a12，a21,a22为滤波器网络的A参数。

四、应用

常见的滤波器有电源EMI滤波器、开关电源EMI滤波器、反射EMI滤波器、损耗线EMI 滤波器和有源滤波器。

电源EMI滤波器是一种低通滤波器，它能毫无衰减地把直流、50Hz、400Hz的电源功率传输到设备上去，对于其他高频信号则产生很大衰减。电源EMI滤波器，又称电网滤波器、电网噪声滤波器、进线滤波器、噪音滤波器等。

开关电源EMI滤波器已广泛用于许多电子设备中。它与一般的线性稳压电源相比，省去了笨重的电源变压器，具有体积小、效率高的优点。但本身就是EMI源，它产生的EMI信号，即占有很宽的频率范围，又有一定的幅度。要把产生的EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平一下，必须采用特殊设计的开关电源EMI滤波器。

对反射EMI滤波器来说，要求对EMI信号有最大的抑制作用，基本原则就是阻抗失配，C电容量较大，用于单相交流供电系统时，即使没有接负载，可能也会有较大电流。对某X

C电容器的反射EMI滤些对线与地之间电容器有严重限制的应用场合，要注意选用含合适

X

波器。

损耗线EMI滤波器就是损耗传输线EMI滤波器，也称为吸收滤波器和穿心滤波器等。损耗EMI滤波器直接是由损耗传输线或在上面增加适合的集中电容器构成。

有源滤波器是含有有源器件的各种滤波网络。与利用电感器、电容器实现滤波功能的无源滤波器相比，有源滤波器可以省去体积庞大的电感元件，便于小型化和集成化，适于实现较低频率的滤波。另外，有源滤波器可以获得电压或电流增益，以抵偿滤波网络的损害。有源滤波器的有源器件是晶体管和运算放大器。