阻抗問題 - 濾波器分類與選型實戰(zhàn)經(jīng)驗總結(jié)

　　為了解決阻抗問題，最好是購買生產(chǎn)廠家同時標明了在“匹配”的50/50測試系統(tǒng)中的指標和在“失配” 條件下的指標的產(chǎn)品。失配的數(shù)據(jù)是在源阻抗為0.1，負載阻抗為100的條件下，和相反的條件下，測得的。一個竅門是用所有這些曲線中的最壞情況形成一條衰減曲線圖，并將其作為濾波器的技術(shù)指標。當采用這種方法來選擇濾波器以滿足產(chǎn)品的預期目的時，濾波器的性能通常能夠達到希望的效果，甚至更好一些。

　　大多數(shù)電源線濾波器采用共模扼流圈和連接在相線間的X電容處理差模干擾。如果濾波器用于解決開關(guān)電源、相位角功率控制器、馬達驅(qū)動器等電路產(chǎn)生的低頻高強度干擾問題，則通常需要比X電容所能提供的差模衰減更大的衰減，這時需要采用如圖3所示的差模扼流圈。由于磁芯會發(fā)生飽和現(xiàn)象，所以很難以較小的體積獲得較大的電感量。這些濾波器一般體積比較大而且也比較昂貴。

　　圖3 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器上使用的典型濾波器

　　大多數(shù)電源線濾波器采用Y型電容，這些電容連接在相線與地線之間。為了不超過相關(guān)安全標準限定的地線允許泄漏值，這些電容的值大約在幾nF左右。一般地，Y電容應連接到噪聲干擾較大的導線上（例如，儀表靈敏模擬電路中的電源線，開關(guān)電源中的整流器等）。

　　對于醫(yī)療設(shè)備，特別是與病人身體接觸的，要求地線泄漏電流值相當?shù)停虼耸褂萌我庖环NY型電容都是不行的。這時采用的濾波器需要更大的電感和/或采用多級級聯(lián)，因此體積較大，價格較高。（最好是在設(shè)備與病人相連的那一端采用電池供電，僅通過光耦或光纖與交流電源供電的設(shè)備相連。）

　　在較大的系統(tǒng)里，來自大量Y型小電容的地線泄漏會產(chǎn)生很大的地線電流，這樣就會產(chǎn)生地線電壓差，從而導致不同設(shè)備間的互連電纜上產(chǎn)生“嗡嗡”的交流聲和瞬態(tài)高電平?，F(xiàn)代最佳解決方案是采用等勢三維地線搭接，但許多陳舊的設(shè)施中不能實現(xiàn)這一點。因此，決定用在大系統(tǒng)里的設(shè)備應使用Y電容很小或根本沒有Y電容的濾波器。

　　最好是使用滿足安全認證的電源線濾波器。這些濾波器的安全性、可靠性、溫度范圍、額定電壓和電流以及恰當?shù)陌踩珮藴实膽镁鶚I(yè)已由廠家認證通過。

　　4. 信號線濾波器

　　如果傳導發(fā)射或輻射發(fā)射由不可避免的信號頻譜引起，那么試圖使用差模濾波器來減小這些發(fā)射并不是辦法。不過對所關(guān)心的信號頻譜范圍內(nèi)的頻率，采用共模濾波是可行的，因為有用的信號是差模而非共模。

　　信號線濾波器的技術(shù)指標中，一般都忽略了地線噪聲。驅(qū)動芯片會產(chǎn)生地線跳躍噪聲，如果數(shù)字印刷電路板的地線面與機殼間的射頻搭接不好，便會在所有導線中產(chǎn)生大量的數(shù)字0V噪聲，因此，外封裝上標有低轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動芯片仍可能產(chǎn)生高電平的射頻噪聲。

　　低頻模擬信號中使用的濾波器，尤其是當電子電路的靈敏度非常高時，需要采用如電源線濾波器一樣的單級或多級電路。然而，在多數(shù)情況下，信號是數(shù)字化的或高電平模擬信號，對干擾不很敏感，因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π型濾波器，如圖4所示。

　　圖4 各種信號線濾波器

　　R和L濾波器的基本工作原理是產(chǎn)生一個高阻抗以反射干擾，但這通常僅能獲得幾個dB的衰減。當源和負載阻抗都較低時，這種濾波器是最適合的。L濾波器能產(chǎn)生諧振，因此最好由軟鐵氧體磁性材料做成（參見下述部分）。由于電阻中存在0.2 pF左右的寄生旁路電容，因此R濾波器在高頻時會失去濾波效能。

　　C濾波器能產(chǎn)生一個低阻抗來反射干擾，通常用在源和負載阻抗都比較高的場合。通常，C濾波器的性能曲線看起來都是比較理想的，但實際上遠不是這樣。

　　具有較大R值的RC濾波器是比較理想的，因為它不會產(chǎn)生明顯的諧振。但當信號頻率在幾kHz以上，或傳輸率在kB/s以上的電路中，高R值（最好是取10k左右）是不適合的。

　　LC、T和π型濾波器可以有更高的衰減值，但當它們連接到非50的源和負載阻抗的環(huán)境中時會發(fā)生諧振現(xiàn)象。這個問題可以通過在電感上裝入鐵氧體來解決。鐵氧體在低頻（有時可達10MHz左右）時呈電感特性，但在較高的頻率處，它們失去了電感特性而表現(xiàn)出電阻特性。鐵氧體磁珠在100MHz時的有效阻抗超過1k，但直流時的阻抗則小于0.5，因而在無用頻率處呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，在有用頻率處呈現(xiàn)低阻狀態(tài)?，F(xiàn)在可以采購到型號眾多的SMD鐵氧體磁珠來滿足各種頻譜的需要。

　　射頻濾波器的一個鮮為人知的特性就是當它不連接到良好的射頻參考地時，其效果是很差的。唯一能夠作為射頻參考地的是PCB上的實心地平面、金屬板或金屬殼體（“法拉第籠”），理想情況下，在被濾波的最高頻率處，它們都不應有大于波長1/100的孔洞（空氣中1GHz時3mm，或者在FR4纖維玻璃板中為1.5mm）。

　　濾波器中的電容與射頻地之間的連線也應小于波長的1/100，同時還要保證電感很低。這就是說，除非在極低的頻率下，否則安全地的綠/黃色導線不能作為濾波器地線。例如，如果裝有2.2nF的Y型電容的電源線濾波器通過一根10cm長的綠/黃色導線接地，那么，在20MHz以上的頻率時，由于地線電感的影響，其Y型電容將失效。

　　在估計綠/黃色導線地線的搭接性能時，可以假設(shè)導線的電感值約為1nH/mm。濾波器唯一正確的連接是將濾波器殼壁直接與射頻地參考面或殼體連接起來。當然，只要有直接的射頻地線搭接，那么出于安全考慮，裝入綠/黃色導線也未尚不可。

　　如果濾波器要安裝在PCB板上，其電容必須直接連接到地平面上。如果沒有地平面，安裝含有電容的濾波器是勞而無功的。如果濾波器安裝在一個金屬板或屏蔽殼體上，那么它必須是導電連接的，有時甚至有必要在濾波器安裝面貼上一圈導電襯墊，以使濾波器殼體與其搭接的金屬面間形成無縫隙的射頻搭接。

　　軍用信號濾波器一般屬于C和π型，因為多數(shù)常見的軍事設(shè)備都有一個很結(jié)實的、設(shè)計完善的射頻地（金屬澆注機箱）。因此，這種場合使用的濾波器一般不會受到射頻地不良所帶來的影響。

　　不過，對民用品、商業(yè)用品及工業(yè)制品來說，射頻地的完整性通常是一個嚴重的問題，因為得處處考慮產(chǎn)品成本。因此，我發(fā)現(xiàn)在這種情況下，性能較好的信號線濾波器一般是RC、LC或T型的，將電阻或電感連接到外部導線上。這將使射頻參考地線上的射頻電流比C或 π型濾波器產(chǎn)生的射頻電流小得多。

　　如果一條電纜有多束芯線，通常最好的辦法是將所有的芯線穿過一個共模扼流圈。如果減小敏感信號之間的串擾十分重要，則可以對芯線中各個信號分別采用共模扼流圈。圖5表明用于五芯電纜的五路共模扼流圈的一個例子。表貼共模扼流圈在差不多5mm的正方體殼體內(nèi)可達八路之多。

　　如果電源線濾波器不允許來自數(shù)字電路的900MHz的諧波泄漏到電源線中，這時就應考慮濾波器和屏蔽體的優(yōu)化配合。這些接近微波頻率的諧波會使產(chǎn)品的輻射發(fā)射加強。

　　射頻濾波器的另一個鮮為人知的特性就是要將濾波器與屏蔽視為一個整體，兩者相輔相成。錯誤的濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝方法很容易使產(chǎn)品輻射發(fā)射超標。