濾波器系列之一：濾波器基礎知識
一、濾波器基礎
1.1、濾波器定義:
《GB/T 2900.1-2008電工術語 基本術語》定義：濾波器（Filter)是指按規定的法則設計用來傳遞輸入量的各頻譜分量的一種線性二端口器件。通常是為了通過某些頻帶頻譜分量而衰減在其它一些頻帶內的頻譜分量。
濾波器的通用定義：濾波器是集中參數的電阻、電容和電感，以及分布參數的電感、電容構成的網絡。這種網絡允許某些頻率通過，對其它的頻率成分加以抑制衰減，濾波器實際上是選頻電路。
簡單的電源濾波器設計
1.2、濾波器分類:
1.2.1、根據頻率特性（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，可以使信號中低于f2的頻率成分不受衰減地通過，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，使信號高于f1的頻率成分幾乎無衰減的通過，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，它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，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幾乎不受到衰減地通過。
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為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯為帶阻濾波器。
1.2.2、根據能量損耗特性
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損濾波器，其工作原理是在電磁信號傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續，使大部分電磁能量反射回信號源處。反射式濾波器采用電感L、電容C等儲能元件組成的無源網絡，有很好的頻率選擇特性，但容易產生諧振。
吸收式濾波器：
采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號的能量消耗在濾波器中，以達到抑制干擾的目的，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效應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，將導線穿過或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場渦流損耗阻斷騷擾信號的傳播。
1.2.3、根據＂最佳逼近特性"標準分類
可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、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，特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有紋波，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
切比雪夫濾波器（Cheby shev Filter）
切比雪夫濾波器，又名"車比雪夫濾波器"，是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等紋波波動的濾波器。切比雪夫濾波器來自切比雪夫分布，是用以紀念俄羅斯數學家巴夫尼提.列波維其.切比雪夫。
切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應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曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內存在幅度波動。
I型切比雪夫濾波器，切比雪夫濾波器的幅度與頻率的關系可用下列公司表示：
I型切比雪夫濾波器函數曲線
II型切比雪夫濾波器：
也稱倒數切比雪夫濾波器，較不常用，因為頻率截止速度不如I型快，也不需要用更多的電子元件。II型切比雪夫濾波器在通頻帶內沒有幅度波動，只在阻帶內有幅度波動。
II型切比雪夫濾波器的轉移函數為：
II型切比雪夫濾波器函數曲線
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。帶通的相位響應近乎呈線性。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的特性，才被用于音頻設備中，在音頻設備中，必須在不損害頻帶內多信號的相位關系前提下，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信號的幅值和相位都不失真，阻帶內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，理想濾波器在通帶內的幅頻特性應為常數，相頻特性的斜率為常數，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、實際濾波器：
理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在過渡帶，在過渡帶內的頻率不會被完全抑制，只會被衰減。濾波器設計時希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外頻率成分衰減的越快越好，實際濾波器設計時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。
理想濾波器與設計濾波器幅頻特性對比
三、濾波器的技術參數
濾波器的主要參數：插入損耗、回波損耗、通帶帶寬、帶內波動、紋波、帶內駐波比、中心頻率、截止頻率、延遲、帶內相位線性度。
3.1、插入損耗（Insertion Loss）：
由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰減，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內插損需要強調。插入損耗是衡量濾波器的主要指標參數，插入損耗是不帶濾波器時，從源端到負載轉換的信號電壓與加入濾波器時源到負載轉換的信號電壓的比值：
U1-----未接入濾波器，信號源在負載上建立的電壓。
U2-----接入濾波器，信號源在負載上建立的電壓。
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，是表示信號反射性能的參數，回波損耗說明入射功率的部分被反射回到信號源。回波損耗主要是鏈路中阻抗不匹配所產生的，回波損耗與反射系數的關系為：
回波損耗愈大愈好，以減少反射信號對系統的影響，輸入功率被全部吸收時回波損耗為無窮大。
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，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。使用信號濾波器，應遵循對有用信號輸入、輸出端阻抗匹配原則，防止信號衰減，對無用信號或需要濾除的干擾信號來說應保證最大阻抗失配，達到最佳濾波效果。
濾波器阻抗仿真曲線圖示：
根據源阻抗與負載阻抗選擇濾波器：
源阻抗 | 濾波器類別 | 負載阻抗 |
高 | C、π、多級π | 高 |
高 | Γ、多級Γ | 低 |
低 | 反Γ、多級反Γ | 高 |
低 | L、T、多級T | 低 |
濾波器要滿足負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載阻抗匹配，如果干擾源是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗應為低阻；如果干擾源是低阻抗，則濾波器的輸出阻抗應為高阻。
3.4、其它參數指標：
3.4.1、延遲（TD）：
指信號通過濾波器所需要的時間，數值上為傳輸相位函數對角頻率的導數，即TD=DF/DV。
3.4.2、紋波（Ripple）
指3dB帶寬（截止頻率）范圍內，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰-峰值。
3.4.3、帶內波動（Pass Band Ripple）：
通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內波動是1dB。
3.4.4、帶內駐波比（VSWR）：
衡量濾波器通帶內信號是否良好匹配傳輸的一項重要指標。理想匹配VSWR=1:1,失配時
<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。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間，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與波節處的電壓幅值VMIN之比。
3.4.5帶內相位線性度：
該指標表征濾波器對通帶內傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應函數設計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及高通濾波器的通帶左邊頻點，通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。相對損耗的參考基準為：低通以DC處插損為基準，高通則以未出現寄生阻帶的足夠高頻帶頻率處插損為基準。
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、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。
四、濾波器的安裝要求：
4.1、濾波器安裝位置要求：
ü一個騷擾源影響多個敏感設備時，濾波器靠近騷擾源放置。反之，只有一個敏感設備，而有多個騷擾源時，濾波器靠近敏感設備放置。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，抑制騷擾源的發射。
üPCB上濾波器應安裝在接口處，需要安裝多個濾波器時，應并列安裝，防止不同信號線濾波前后的耦合；當信號接口處只有一個干擾源時，濾波器應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會互相耦合，降低濾波器的濾波效果。
ü其它信號布線應避免貼近需要增加濾波器的干擾信號布線放置，避免干擾信號源耦合到其它信號布線，降低濾波器的濾波效果。
ü濾波后的信號布應避免靠近強干擾信號布線，避免濾波后信號線被二次污染，降低濾波器的濾波效果。
4.3、濾波器的接地要求：
ü濾波器通過細地線接地，高頻濾波效果非常差，使濾波器的接地外殼與金屬結構平面良好搭接，改善接地效果。
ü濾波器接地點應選擇靜地（無強干擾源污染的地平面），接地線應盡量短而粗，減小接地的寄生電感，且接地點應選擇回流干擾源環路面積最小的點。
