EMC滤波器 EMC中的基石-滤波知识大全

最近看了一些被动滤镜，其中罗伯特凯米的文章比较好理解。我们来看一下处理EMC问题最常用的方法——RC滤波。

本文介绍了滤波的概念，详细阐述了RC低通滤波器的应用和特点。

1时域和频域

当我们看示波器上的电信号时，我们会看到一条线，它指示电压随时间的变化。在任何给定时刻，信号只有一个电压值。我们在示波器上看到的是信号的时域表示。

典型的示波器比较直观，但由于不直接显示信号的频率内容，也有一定的局限性。与时域表示相反，频域表示(也称为频谱)通过识别同时存在的各种频率分量来传达关于信号的信息。

我们来看一个简单的设计例子。电容值比电阻值更具限制性，所以我们将从常见的电容值(例如，10 nF)开始，然后我们将使用此公式来确定所需的电阻值。目标是设计一个滤波器，保留5千赫的音频波形，抑制500千赫的噪声波形。我们将尝试100千赫的截止频率，我们将在本文后面更仔细地分析该滤波器对两个频率分量的影响。

在上面的设计例子中，r ≈ 160ω，C = 10nF。我们假设V IN的振幅为1 V，那么我们可以简单地把V IN从计算中去掉。首先，让我们计算正弦波频率下VOUT的幅度:

正弦波的幅度基本不变。这很好，因为我们的目标是在抑制噪声的同时保持正弦波。这个结果并不奇怪，因为截止频率(100 kHz)远高于正弦波频率(5 kHz)。

噪声幅度只有原来的20%左右。

七

评估滤波器对信号影响的最方便方法是查看滤波器频率响应图。这些图形通常称为波德图，纵轴为分贝幅度，横轴为频率。横轴通常是指数标度，这样1Hz到10Hz之间的物理距离和10Hz到100Hz之间以及100Hz到1kHz之间的物理距离是一样的。这种表示方法使我们能够在大频率范围内快速准确地评估滤波器的功能。

曲线上的每个点代表如果输入信号的幅度为1 V并且频率等于水平轴上的相应值，输出信号将具有的幅度。例如，当输入频率为1兆赫时，输出幅度(假设输入幅度为1 V)将为0.1 V(因为-20 dB对应于十倍的降低系数)。

通带中的曲线几乎完全平坦，然后随着输入频率接近截止频率，它开始下降得更快。最后衰减变化率稳定在20dB/10。也就是说，输入频率每增加10倍，输出信号的幅度就减少20 dB。

八

如果仔细画出我们在本文前面设计的滤波器的频率响应，就会看到5 kHz时的幅度响应基本为0 dB(即衰减几乎为零)，500 kHz时的幅度响应约为-14 dB(对应于0.2的增益)。这些值与我们在上一节中执行的计算结果一致。

因为RC滤波器总是从通带过渡到阻带，又因为衰减永远达不到无穷大，所以我们无法设计出一个“完美”的滤波器——即对正弦波没有影响，完全消除噪声的滤波器。相反，我们总是需要权衡。如果我们把截止频率移近5 kHz，我们会有更多的噪声衰减，但我们希望发送到扬声器的正弦波有更多的衰减。如果我们把截止频率移近500 kHz，我们在正弦波频率的衰减会减小，但在噪声频率的衰减也会减小。

9低通滤波器相移

到目前为止，我们已经讨论了滤波器修改信号中各种频率分量的幅度的方法。然而，除了幅度效应之外，电抗电路元件总是引入相移。

相位的概念是指一个周期内特定时间的周期信号的值。因此，当我们说电路引起相移时，我们的意思是它将引起输入信号和输出信号之间的不对准:输入和输出信号不再同时开始和结束它们的周期。相移值(例如，45°或90°)表示产生了多少未对准。

电路中的每个电抗元件都会引入90°相移，但这种相移不会同时发生。像输出信号的幅度一样，输出信号的相位随着输入频率的增加而逐渐变化。在RC低通滤波器中，我们有一个电抗元件(电容)，所以电路最终会引入90°相移。

与幅度响应一样，相位响应可以通过查看横轴代表指数频率的图表来轻松评估。大致情况描述如下，然后我们可以通过查看图纸来填写细节。

相移最初为0°。它逐渐增加，直到它在截止频率达到45°; 在这部分响应期间，变化率正在增加。在截止频率之后，相移继续增加，但变化率正在降低。随着相移渐近接近90°，变化率变得非常小。

实线为幅度响应，虚线为相位响应。截止频率为100 kHz。请注意，截止频率下的相移为45°

10

到目前为止，我们假设RC低通滤波器由一个电阻和一个电容组成。这种配置是一阶滤波器。

无源滤波器的“顺序”由电路中存在的电抗元件(即电容器或电感器)的数量决定。高阶滤波器有更多的无源元件，这导致更多的相移和更陡的衰减。通过向滤波器添加电抗元件，例如，从一阶到二阶或从二阶到三阶，最大斜率将增加20dB/十倍。更陡的斜率意味着从低衰减到高衰减的更快转变，因此当一阶滤波器没有将所需频率分量与噪声分量分开的宽带时，可以使用多阶滤波器来实现该目的。

11摘要

所有电信号都包含所需频率分量和不需要的频率分量的混合。不期望的频率分量通常由噪声和干扰引起，并且在某些情况下它们将对系统的性能产生负面影响。滤波器是以不同方式对信号频谱的不同部分作出反应的电路。低通滤波器旨在传递低频分量并阻止高频分量。低通滤波器的截止频率表示滤波器从低衰减转变为显着衰减的频率区域。RC低通滤波器的输出电压可以通过将电路视为由（频率无关）电阻和（频率相关）电抗组成的分压器来计算。幅度（以dB为单位，在垂直轴上）与频率（以赫兹为单位，在水平轴上）的曲线图是检查滤波器理论行为的方便有效的方法。我们还可以使用相位与指数频率的关系图来确定将应用于输入信号的相移量。二阶滤波器提供更陡峭的衰减; 当信号不能在所需频率分量和不需要的频率分量之间提供宽带分离时，这种二阶响应是有用的。