LC濾波器的基礎(chǔ)知識

LC濾波器，是指將電感(L)與電容器 (C)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可去除或通過特定頻率的無源器件。
電容器具有隔直流通交流，且交流頻率越高越容易通過的特性。而電感則具有隔交流通直流，且交流頻率越高越不易通過的特性。
因此，電容器和電感是特性完全相反的被動元器件，通過將電容和電感組合，就可去除或通過特定頻率的信號。

LC濾波器的種類

LC濾波器按所通過信號的頻段分為以下三類

低通濾波器(LPF)

低通濾波器是一種用于傳遞直流或者低頻信號，衰減高頻信號的濾波器。
作為被最廣泛使用的濾波器電路，主要用于剔除高頻噪聲。
此外，音響中用于剔除低音用揚(yáng)聲器的高音/中音成分。

高通濾波器(HPF)

高通濾波器是允許高于某一截頻的頻率通過，而大大衰減較低頻率的一種濾波器。
這種濾波器被用于剔除聽閾的低頻噪聲，或剔除高音用揚(yáng)聲器的中音/低音成分等。

帶通濾波器(BPF)

帶通濾波器是用來只允許特定頻率的信號通過，屏蔽其他頻率信號的濾波器電路。
這種濾波器被用于收音機(jī)的選臺(調(diào)整頻率)、或剔除中音用揚(yáng)聲器的低音/高音成分等。

低通濾波器的種類

電容器和電感，雖然各自單獨(dú)具有噪聲去除效果，但是通過將2個零部件進(jìn)行組合，就可獲得更大的噪聲去除效果。串聯(lián)連接的電感以隔斷高頻噪聲，用并聯(lián)連接的電容器來使高頻噪聲旁通的方式發(fā)揮作用。
但是，噪聲去除效果也會隨輸入側(cè)和輸出側(cè)各自的外部阻抗的高低而改變。譬如，即使試圖用低阻抗的電容器來使噪聲旁通，如果輸出阻抗更低，則噪聲會流向負(fù)荷側(cè)。相反，即使試圖以高阻抗的電感來隔斷噪聲，如果輸出阻抗更高，則噪聲會流向負(fù)荷側(cè)。因此，外部阻抗高時，將電容器配置在附近；外部阻抗低時，將電感配置在附近。
如上所述，考慮外部阻抗，低通濾波器可區(qū)分為以下4類。

L型濾波器(1)

輸入阻抗 ? 高
輸出阻抗 ? 低 時

L型濾波器(2)

輸入阻抗 ? 低
輸出阻抗 ? 高 時

π型濾波器

輸入阻抗 ? 高
輸出阻抗 ? 高 時

T型濾波器

輸入阻抗 ? 低
輸出阻抗 ? 低 時

相比L型濾波器，π型和T型濾波器的噪聲去除效果更好，因而還要考慮這方面的因素來選定電路。

低通濾波器的零部件選擇

要在信號電路上從信號波形去除噪聲時，必須選定在信號頻率下不會衰減而在噪聲頻率下衰減會增大的零部件常數(shù)。要在電源電路上從直流電壓去除噪聲時，由于直流的衰減為零，因而只考慮噪聲頻率的衰減量。

濾波器的衰減特性(頻率引起的衰減量的變化)可通過計(jì)算來求得，但實(shí)際的電容器和電感除了純粹的靜電電容和電感外還包含有影響性能的成分，因而無法單純地計(jì)算。

在L型濾波器上標(biāo)示出基于電容器和電感的實(shí)際等效電路的電路圖。
電容器上除了靜電電容(C)外還包含有等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，電感上除了電感(L)外還包含有直流電阻(DCR)和寄生電容(Cp)。

電容器若只是C成分，頻率越高阻抗低，噪聲吸收效果越好，但在實(shí)際的電容器上則根據(jù)ESR來決定阻抗的下限值，并且阻抗在高頻域會隨ESL而升高，變得不易吸收噪聲。
此外，電感若只是L成分，頻率越高阻抗高，噪聲隔斷效果越好，但實(shí)際上阻抗會隨電感器中所包含的Cp而在高頻域下降，噪聲的隔斷效果下降。
再者，各自的成分也會隨頻率而發(fā)生值的變化，因而將這些因素全都考慮進(jìn)來選定零部件就變得相當(dāng)難。

因此，LC濾波器上經(jīng)常會使用模擬工具來選定零部件。
通常，模擬工具上可使用按零部件的型號別提供的S參數(shù)或SPICE模型，來計(jì)算每個頻率的正確的衰減量。

使用模擬工具選定零部件的事例

這里介紹使用本公司在網(wǎng)上公開的“產(chǎn)業(yè)、車載用LC濾波器模擬器”來選定LC濾波器零部件的事例，其目的在于避免射頻噪聲從車載ECU流出。

射頻噪聲中包括AM頻帶(1MHz左右)和FM頻帶(80MHz左右)，選定在這2個頻帶衰減量滿足-60dB以上的零部件。
另外，前提條件是假定輸入/輸出阻抗為50Ω。

目標(biāo)頻率 ：1MHz, 80MHz

目標(biāo)衰減量 ：-60dB

輸入/輸出阻抗 ：50Ω

1) 選擇電路

從L型、π型、T型中選擇。
今本次選擇π型，并將輸入/輸出阻抗設(shè)定為50Ω。

2) 選擇零部件

從已被登錄的零部件中選擇任意的電容器型號和電感型號。
本次在①100μF的電容器和10μH的電感、②10μF的電容器和1μH的電感這2個條件下進(jìn)行了模擬。

選定①

選定②

3) 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果，滿足目標(biāo)值的為選定②的組合。實(shí)際上進(jìn)行電路和零部件的各種組合的模擬，選定最佳的零部件。

本次模擬中得出的結(jié)果是，C值和L值小的組合，比C值和L值大的組合更滿足目標(biāo)值。這取決于在高頻域電容器的ESL和電感的Cp有較大的影響。
在低頻域(大致在0.1MHz以下)，ESL和Cp的影響小，衰減量大致上只由C值和L值來決定，因而C值和L值大的①的衰減量增大。但是，在像FM頻帶(80MHz)那樣的高頻域，ESL和Cp的值大的①的衰減量減小，因而衰減量發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。
(如果是相同規(guī)格的零部件，C值大的ESL也會增大，此外，L值大的Cp也會增大)找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

如上所述，在進(jìn)行LC濾波器的設(shè)計(jì)時，如果不考慮電容器的ESL和電感的Cp選定零部件，就會得到與預(yù)測不同的結(jié)果，對此要予以注意。

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車載用功率電感器

導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器 (Hybrid)

LC濾波器模擬器

工業(yè)和汽車用LC濾波器模擬器是指，以適用于工業(yè)和汽車的本公司的功率電感器和鋁電解電容器構(gòu)成濾波器時的衰減量特性為能夠模擬的裝置。
請?jiān)谶x定工業(yè)和汽車用濾波器的零部件時加以活用。

審核編輯 黃宇