濾波器系列之一：濾波器基礎(chǔ)知識(shí)
一、濾波器基礎(chǔ)
1.1、濾波器定義:
《GB/T 2900.1-2008電工術(shù)語(yǔ) 基本術(shù)語(yǔ)》定義：濾波器（Filter)是指按規(guī)定的法則設(shè)計(jì)用來(lái)傳遞輸入量的各頻譜分量的一種線性二端口器件。通常是為了通過(guò)某些頻帶頻譜分量而衰減在其它一些頻帶內(nèi)的頻譜分量。
濾波器的通用定義：濾波器是集中參數(shù)的電阻、電容和電感，以及分布參數(shù)的電感、電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)允許某些頻率通過(guò)，對(duì)其它的頻率成分加以抑制衰減，濾波器實(shí)際上是選頻電路。
簡(jiǎn)單的電源濾波器設(shè)計(jì)
1.2、濾波器分類:
1.2.1、根據(jù)頻率特性（幅頻特性與相頻特性）
可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。
低通濾波器：
從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分不受衰減地通過(guò)，而高于f2工的頻率成分受到極大地衰減。
低通濾波器主要電路形式
高通濾波器：
與低通濾波器相反，從f1～∞頻率之間，其幅頻特性平直，使信號(hào)高于f1的頻率成分幾乎無(wú)衰減的通過(guò)，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。
帶通濾波器：
在通頻帶f1～f2之間，它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過(guò)，而其它成分受到衰減。
帶通濾波器頻率特性
帶阻濾波器：
與帶通濾波器相反，阻帶在頻率f1～f2之間，它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，而其它頻率成分的信號(hào)幾乎不受到衰減地通過(guò)。
帶阻濾波器頻率特性
低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種基本形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器，低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。
1.2.2、根據(jù)能量損耗特性
可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。
反射式濾波器：
反射式濾波器又稱無(wú)損濾波器，其工作原理是在電磁信號(hào)傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，使大部分電磁能量反射回信號(hào)源處。反射式濾波器采用電感L、電容C等儲(chǔ)能元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，有很好的頻率選擇特性，但容易產(chǎn)生諧振。
吸收式濾波器：
采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號(hào)的能量消耗在濾波器中，以達(dá)到抑制干擾的目的，又稱有損濾波器，吸收式濾波可避免反射式濾波因寄生參數(shù)效應(yīng)或阻抗不匹配引起的諧振，但其頻率選擇性較差。吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料，將導(dǎo)線穿過(guò)或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場(chǎng)渦流損耗阻斷騷擾信號(hào)的傳播。
1.2.3、根據(jù)＂最佳逼近特性"標(biāo)準(zhǔn)分類
可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器。
巴特沃斯濾波器（Butter worth Filter）：
從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性，特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有紋波，而在阻頻帶則逐漸下降為零。
巴特沃斯低通濾波器可用如下振幅的平方對(duì)頻率的公式表示：
巴特沃斯1~5階低通濾波器曲線
切比雪夫?yàn)V波器（Cheby shev Filter）
切比雪夫?yàn)V波器，又名"車比雪夫?yàn)V波器"，是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等紋波波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器來(lái)自切比雪夫分布，是用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提.列波維其.切比雪夫。
切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。
I型切比雪夫?yàn)V波器，切比雪夫?yàn)V波器的幅度與頻率的關(guān)系可用下列公司表示：
I型切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)曲線
II型切比雪夫?yàn)V波器：
也稱倒數(shù)切比雪夫?yàn)V波器，較不常用，因?yàn)轭l率截止速度不如I型快，也不需要用更多的電子元件。II型切比雪夫?yàn)V波器在通頻帶內(nèi)沒(méi)有幅度波動(dòng)，只在阻帶內(nèi)有幅度波動(dòng)。
II型切比雪夫?yàn)V波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：
II型切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)曲線
貝塞爾濾波器（Bessel Filter）：
貝塞爾濾波器是具有最平坦的幅度和相位響應(yīng)。帶通的相位響應(yīng)近乎呈線性。貝塞爾濾波器由于具有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時(shí)的特性，才被用于音頻設(shè)備中，在音頻設(shè)備中，必須在不損害頻帶內(nèi)多信號(hào)的相位關(guān)系前提下，消除帶外噪聲。描述貝塞爾濾波器低通濾波器的傳遞函數(shù)如下： 
1.2.4、濾波器其它分類方式
二、濾波器非理想性
2.1、理想濾波器：
理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說(shuō)，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常數(shù)，在通帶外的幅頻特性為零。
理想濾波器的幅頻與相頻特性
2.2、實(shí)際濾波器：
理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒(méi)有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在過(guò)渡帶，在過(guò)渡帶內(nèi)的頻率不會(huì)被完全抑制，只會(huì)被衰減。濾波器設(shè)計(jì)時(shí)希望過(guò)渡帶越窄越好，也就是希望對(duì)通帶外頻率成分衰減的越快越好，實(shí)際濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，總是通過(guò)各種方法使其盡量逼近理想濾波器。
理想濾波器與設(shè)計(jì)濾波器幅頻特性對(duì)比
三、濾波器的技術(shù)參數(shù)
濾波器的主要參數(shù)：插入損耗、回波損耗、通帶帶寬、帶內(nèi)波動(dòng)、紋波、帶內(nèi)駐波比、中心頻率、截止頻率、延遲、帶內(nèi)相位線性度。
3.1、插入損耗（Insertion Loss）：
由于濾波器的引入對(duì)電路中原有信號(hào)帶來(lái)的衰減，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需要強(qiáng)調(diào)。插入損耗是衡量濾波器的主要指標(biāo)參數(shù)，插入損耗是不帶濾波器時(shí)，從源端到負(fù)載轉(zhuǎn)換的信號(hào)電壓與加入濾波器時(shí)源到負(fù)載轉(zhuǎn)換的信號(hào)電壓的比值：
U1-----未接入濾波器，信號(hào)源在負(fù)載上建立的電壓。
U2-----接入濾波器，信號(hào)源在負(fù)載上建立的電壓。
濾波器插入損耗仿真曲線圖
3.2、回波損耗（Return Loss）：
又稱為反射損耗，是表示信號(hào)反射性能的參數(shù)，回波損耗說(shuō)明入射功率的部分被反射回到信號(hào)源。回波損耗主要是鏈路中阻抗不匹配所產(chǎn)生的，回波損耗與反射系數(shù)的關(guān)系為：
回波損耗愈大愈好，以減少反射信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響，輸入功率被全部吸收時(shí)回波損耗為無(wú)窮大。
3.3、阻抗特性：
濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。在使用EMI濾波器時(shí)，保證在輸入、輸出最大限度阻抗失配的情況下，有合乎要求的最佳抑制效果。使用信號(hào)濾波器，應(yīng)遵循對(duì)有用信號(hào)輸入、輸出端阻抗匹配原則，防止信號(hào)衰減，對(duì)無(wú)用信號(hào)或需要濾除的干擾信號(hào)來(lái)說(shuō)應(yīng)保證最大阻抗失配，達(dá)到最佳濾波效果。
濾波器阻抗仿真曲線圖示：
根據(jù)源阻抗與負(fù)載阻抗選擇濾波器：
源阻抗 | 濾波器類別 | 負(fù)載阻抗 |
高 | C、π、多級(jí)π | 高 |
高 | Γ、多級(jí)Γ | 低 |
低 | 反Γ、多級(jí)反Γ | 高 |
低 | L、T、多級(jí)T | 低 |
濾波器要滿足負(fù)載電路工作頻率和需抑制頻率的要求。在所要求的頻率上，濾波器的阻抗必須與它連接的干擾源阻抗和負(fù)載阻抗匹配，如果干擾源是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為低阻；如果干擾源是低阻抗，則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為高阻。
3.4、其它參數(shù)指標(biāo)：
3.4.1、延遲（TD）：
指信號(hào)通過(guò)濾波器所需要的時(shí)間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對(duì)角頻率的導(dǎo)數(shù)，即TD=DF/DV。
3.4.2、紋波（Ripple）
指3dB帶寬（截止頻率）范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰-峰值。
3.4.3、帶內(nèi)波動(dòng)（Pass Band Ripple）：
通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。
3.4.4、帶內(nèi)駐波比（VSWR）：
衡量濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。理想匹配VSWR=1:1,失配時(shí)
<1。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅VMAX，形成波腹。
在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅VMIN,形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間，這種合成波稱為行駐波，駐波比是駐波波腹處的電壓幅值VMAX與波節(jié)處的電壓幅值VMIN之比。
3.4.5帶內(nèi)相位線性度：
該指標(biāo)表征濾波器對(duì)通帶內(nèi)傳輸信號(hào)引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的相位線性度。
3.4.6、截止頻率（Cutoff frequency）：
指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)，通常以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)定義。相對(duì)損耗的參考基準(zhǔn)為：低通以DC處插損為基準(zhǔn)，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高頻帶頻率處插損為基準(zhǔn)。
3.4.7、中心頻率（Center Frequency）：
濾波器通帶的頻率為f0，一般取f0=（f1+f2）/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對(duì)下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。窄帶濾波器常以插損最小點(diǎn)為中心頻率計(jì)算通帶帶寬。
四、濾波器的安裝要求：
4.1、濾波器安裝位置要求：
ü一個(gè)騷擾源影響多個(gè)敏感設(shè)備時(shí)，濾波器靠近騷擾源放置。反之，只有一個(gè)敏感設(shè)備，而有多個(gè)騷擾源時(shí)，濾波器靠近敏感設(shè)備放置。濾波器靠近騷擾源放置的好處，使干擾局限在騷擾源附近，切斷騷擾源的干擾路徑，抑制騷擾源的發(fā)射。
üPCB上濾波器應(yīng)安裝在接口處，需要安裝多個(gè)濾波器時(shí)，應(yīng)并列安裝，防止不同信號(hào)線濾波前后的耦合；當(dāng)信號(hào)接口處只有一個(gè)干擾源時(shí)，濾波器應(yīng)盡量靠近騷擾源安裝 。
4.2、濾波器輸出輸入布線要求：
ü濾波器的輸入與輸出線必須屏蔽隔離，輸入與輸出布線靠近時(shí)會(huì)互相耦合，降低濾波器的濾波效果。
ü其它信號(hào)布線應(yīng)避免貼近需要增加濾波器的干擾信號(hào)布線放置，避免干擾信號(hào)源耦合到其它信號(hào)布線，降低濾波器的濾波效果。
ü濾波后的信號(hào)布應(yīng)避免靠近強(qiáng)干擾信號(hào)布線，避免濾波后信號(hào)線被二次污染，降低濾波器的濾波效果。
4.3、濾波器的接地要求：
ü濾波器通過(guò)細(xì)地線接地，高頻濾波效果非常差，使濾波器的接地外殼與金屬結(jié)構(gòu)平面良好搭接，改善接地效果。
ü濾波器接地點(diǎn)應(yīng)選擇靜地（無(wú)強(qiáng)干擾源污染的地平面），接地線應(yīng)盡量短而粗，減小接地的寄生電感，且接地點(diǎn)應(yīng)選擇回流干擾源環(huán)路面積最小的點(diǎn)。
