濾波器的種類繁多,除了一些傳統的電感、電容及其組合外,還有多種新技術產品,其用法各不相同。根據應用場合不同,可把它們分為三大類:
① 在交、直流電源部分使用的濾波器:電源濾波器、磁環和磁珠等;
② 在信號線上使用的濾波器:信號濾波器、磁環和磁珠、穿心電容、濾波連接器(即濾波器陣列)等;
③ 在印刷電路板上使用的濾波器:去耦電容、片狀(表面安裝式)濾波器、磁珠等。
3) 電感器與電感型濾波器
線圈與其回流部分就可構成一個傳統的電感器,通常有單線圈或多線圈式的。電感器可按其環繞的磁芯來分類,最常見的兩種類型是空氣磁芯和磁性磁芯。磁性磁芯電感器(簡稱磁芯電感)又可按其磁芯是開路或閉路作進一步分類。另外,目前廣泛應用的鐵氧體磁環(或磁珠),雖然在物理概念上講起變壓器的作用,它也更象一個隨頻率變化的可變電阻,但是人們通常還是把它當作電感器來考慮。
實際應用中的電感器,其繞制導線中必然含有寄生的串聯電阻及繞線間的分布電容,因此應用中會在某些頻率上產生諧振現象。衡量電感器性能的主要參數有:分布電容、有效電感、品質因數Q、自諧振頻率和飽和電流等。這些都是應用中應該考慮的。
① 普通線圈式電感器
具有同樣體積和匝數的開路磁芯電感比空氣芯電感有大得多的電感量和Q值,閉路磁芯情況會更好。電感器的一個重要特性是產生雜散磁場和對雜
散磁場敏感。空氣芯或開路磁芯電感器最容易引起干擾。,因為其磁通從電感器擴展到相當大的距離。就對磁場的敏感度而言,磁芯電感器比空氣芯電感器敏感得多,而開路磁芯是最敏感的,因為磁芯(低磁阻通路)集中了外部磁場并引起更多的磁通流過線圈。
普通電感型濾波器一般只用于低頻濾波。在高頻條件下,其插入損耗開始降低。這是因為隨著頻率的增加,當頻率超過電感器的自諧振頻率后,寄生電容的阻抗開始降低從而引起電感器的阻抗降低。這樣一來,高頻噪聲便得不到良好的抑制而通過電感器引起噪聲泄漏。
② 鐵氧體磁環電感器
空心鐵氧體磁環可以套在導線上,而帶引線的鐵氧體磁珠則串聯在導線中。帶引線的鐵氧體磁環具有簡單的結構,如圖6所示,因為通過磁芯可提供一個良好的回流端,從而其寄生電容較小。不帶引線的鐵氧體磁環情況一樣。所以,鐵氧體磁環電感器具有良好的高頻特性,其工作頻率可達1GHz或更高。它可以應用在低阻抗電路中的高頻濾波和去耦。
4) 脈沖電壓吸收器
對瞬態脈沖電壓(如靜電放電、浪涌、脈沖群等)的干擾,可采取濾波或吸收的措施。但濾波器對幅值較大的瞬態電壓抑制能力有限,有效的辦法就是采用脈沖電壓吸收器。脈沖電壓吸收器有避雷管、壓敏電阻和瞬變電壓吸收二極管(TVS)。目前市場上已有片狀式的壓敏電阻及TVS陣列供應。(因為嚴格地講,脈沖電壓吸收技術并不屬于濾波的范疇,所以這里不再對其做詳細介紹。如有需要,請參考相關資料及產品手冊。)
5) 復合型濾波器
在實際應用中,若單一元件型濾波器達不到理想的濾波效果,就可以考慮使用復合型的濾波器。復合型濾波器可看作是若干個單一元件型濾波器的級聯。現時市場上還有將幾個濾波元件組合在一起的器件供應。下面對幾種常用的復合型濾波器做簡單介紹。
① 交流電源濾波器
典型的交流電源濾波器如圖9所示。可以看出,它既可以防止從外部電源來的噪聲進入設備,也抑制了設備自己的電磁發射進入共用電網。圖示的這個交流電源濾波器用到了共模扼流圈以抑制共模噪聲,另外還用到幾個電容器。直接跨接在電源線兩極之間的電容器用來抑制差模噪聲,俗稱X電容,而跨接在火線或零線與地線之間的一對電容器用來抑制共模噪聲,俗稱Y電容。
② 信號線EMI抑制濾波器
信號線EMI抑制濾波器是特殊設計的品質優良的復合型濾波器件。圖10所示的是村田公司的產品。用于高速信號線上的濾波器應具有“陡峭”的插入損耗特性曲線,要求它能將噪聲從信號中分離出去,而不使信號波形產生失真。這是因為,在高速信號線中的噪聲頻率與信號頻率比較接近,若采用三端電容器或其他簡單的濾波器可能對信號和噪聲同時進行壓縮而造成信號波形的畸變。在這種情況下,就應采用特制的信號線EMI抑制濾波器。
③ Block Type/塊狀型濾波器
這也是一種性能優良的濾波器件,它組合了鐵氧體磁珠、穿心(旁路)電容和獨石電容。它具有較高的額定電流和工作可靠性。圖11所示的是村田公司的產品。
④ SMT T-Type/SMT T型濾波器
如圖12所示,這類T型濾波器是以三端電容為主體的組合了鐵氧體磁珠的濾波器件。特別的設計和結構保證了它具有較高的額定電流和額定電壓,并具有極寬的溫度適應范圍和工作可靠性。在有特殊要求的情況下,它特別適合在直流電源線和信號線上使用。
⑤ 具有浪涌吸收功能的EMI抑制濾波器
村田公司生產的這類型片狀式的或引線式的三端濾波器,可以簡單理解為壓敏電阻與電容、電感的組合器件
⑥ 其他特殊用途的濾波器件
目前市場上還有為一些特定用途而專門設計的濾波器件供應,詳見其產品手冊。
2) 電容器與電容型濾波器
按照電容器內絕緣介質材料的種類,電容器可分為電解電容、紙介電容、聚酯樹酯電容、陶瓷(獨石)電容、聚苯乙烯聚丙烯電容等,另還有新型的穿心電容、三端口電容等。不同類型的電容器其特性不同,它可能滿足某一規范但不man
足其他規范。有時為了在較寬的頻段提供濾波,經常將兩種不同類型的電容器并聯使用。表征電容器的主要技術參數包括:工作頻率、寄生電阻、寄生電感、溫度敏感性、失效方式以及容量與體積的比值等。只有首先掌握了這些特性,才能正確地選擇濾波電容的種類及參數。
① 鋁電解電容與鉭電解電容
鋁電解電容的容體比較大,串聯電阻較大,感抗較大,對溫度mingan。它適用于溫度變化不大、工作頻率不高(不高于25kHz)的場合,可用于低頻濾波。鋁電解電容具有極性,安裝時必須保證正確的極性,否則有爆炸的危險。
與鋁電解電容相比,鉭電解電容在串聯電阻、感抗、對溫度的穩定性等方面都有明顯的優勢。但是,它的工作電壓較低。
② 紙介電容和聚酯薄膜電容
其容體比較小,串聯電阻小,感抗值較大。它適用于電容量不大、工作頻率不高(如1MHz以下)的場合,可用于低頻濾波和旁路。使用管型紙介電容器或聚酯薄膜電容器時,可把其外殼與參考地相連,以使其外殼能起到屏蔽的作用而減少電場耦合的影響。
③ 云母和陶瓷電容
其容體比很小,串聯電阻小,電感值小,頻率/容量特性穩定。它適用于電容量小、工作頻率高(頻率可達500MHz)的場合,用于高頻濾波、旁路、去耦。但這類電容承受瞬態高壓脈沖能力較弱,因此不能將它隨便跨接在低阻電源線上,除非是特殊設計的。
④ 聚苯乙烯電容器
其串聯電阻小,電感值小,電容量相對時間、溫度、電壓很穩定。它適用于要求頻率穩定性高的場合,可用于高頻濾波、旁路、去耦。
⑤ 穿心電容(有時稱作Feed-through/旁路電容)
穿心電容的結構是地電極圍繞在介質周圍而信號線穿過介質。這種結構保證了它的電感值很小,高頻性能極好,工作電流和工作電壓也可以很高。它適用于高頻及安裝在屏蔽殼體上的場合。目前它被廣泛應用于軍用設備和移動通訊手機中。使用穿心電容時,應注意必須將其外殼良好接地,只有這樣才能達到預期的濾波效果
⑥ 三端電容
在高頻線路中,因為一般的電容器的引線具有電感分量,所以影響了其高頻特性。而三端口電容在結構上可以做到與電容器串聯的剩余電感分量很小,因此其插入損耗特性優于兩端口電容,從而改善了電容器的高頻特性。三端口電容有引線式的和片狀式的
⑦ 片狀固態電容器陣列
片狀固態電容器陣列可以看作是幾個三端電容的集成,因而同樣具有三端片狀固態電容器一樣的濾波特性。它也是通過其兩端“地電極”而接地。村田公司現有4線、6線和8線式的片狀固態電容器陣列供應。片狀固態電容器陣列中各信號線之間的串擾很低,可達-40dB以上。顯然,使用陣列式濾波器可明顯簡化印制板板的設計、減少對印制板的占用面積,同時也方便了濾波器的安裝
3) 電容器與電容型濾波器
按照電容器內絕緣介質材料的種類,電容器可分為電解電容、紙介電容、聚酯樹酯電容、陶瓷(獨石)電容、聚苯乙烯聚丙烯電容等,另還有新型的穿心電容、三端口電容等。不同類型的電容器其特性不同,它可能滿足某一規范但不滿
足其他規范。有時為了在較寬的頻段提供濾波,經常將兩種不同類型的電容器并聯使用。表征電容器的主要技術參數包括:工作頻率、寄生電阻、寄生電感、溫度敏感性、失效方式以及容量與體積的比值等。只有首先掌握了這些特性,才能正確地選擇濾波電容的種類及參數。
① 鋁電解電容與鉭電解電容
鋁電解電容的容體比較大,串聯電阻較大,感抗較大,對溫度敏感。它適用于溫度變化不大、工作頻率不高(不高于25kHz)的場合,可用于低頻濾波。鋁電解電容具有極性,安裝時必須保證正確的極性,否則有爆炸的危險。
與鋁電解電容相比,鉭電解電容在串聯電阻、感抗、對溫度的穩定性等方面都有明顯的優勢。但是,它的工作電壓較低。
② 紙介電容和聚酯薄膜電容
其容體比較小,串聯電阻小,感抗值較大。它適用于電容量不大、工作頻率不高(如1MHz以下)的場合,可用于低頻濾波和旁路。使用管型紙介電容器或聚酯薄膜電容器時,可把其外殼與參考地相連,以使其外殼能起到屏蔽的作用而減少電場耦合的影響。
③ 云母和陶瓷電容
其容體比很小,串聯電阻小,電感值小,頻率/容量特性穩定。它適用于電容量小、工作頻率高(頻率可達500MHz)的場合,用于高頻濾波、旁路、去耦。但這類電容承受瞬態高壓脈沖能力較弱,因此不能將它隨便跨接在低阻電源線上,除非是特殊設計的。
④ 聚苯乙烯電容器
其串聯電阻小,電感值小,電容量相對時間、溫度、電壓很穩定。它適用于要求頻率穩定性高的場合,可用于高頻濾波、旁路、去耦。
⑤ 穿心電容(有時稱作Feed-through/旁路電容)
穿心電容的結構是地電極圍繞在介質周圍而信號線穿過介質。這種結構保證了它的電感值很小,高頻性能極好,工作電流和工作電壓也可以很高。它適用于高頻及安裝在屏蔽殼體上的場合。目前它被廣泛應用于軍用設備和移動通訊手機中。使用穿心電容時,應注意必須將其外殼良好接地,只有這樣才能達到預期的濾波效果
⑥ 三端電容
在高頻線路中,因為一般的電容器的引線具有電感分量,所以影響了其高頻特性。而三端口電容在結構上可以做到與電容器串聯的剩余電感分量很小,因此其插入損耗特性優于兩端口電容,從而改善了電容器的高頻特性。三端口電容有引線式的和片狀式的
⑦ 片狀固態電容器陣列
片狀固態電容器陣列可以看作是幾個三端電容的集成,因而同樣具有三端片狀固態電容器一樣的濾波特性。它也是通過其兩端“地電極”而接地。村田公司現有4線、6線和8線式的片狀固態電容器陣列供應。片狀固態電容器陣列中各信號線之間的串擾很低,可達-40dB以上。顯然,使用陣列式濾波器可明顯簡化印制板板的設計、減少對印制板的占用面積,同時也方便了濾波器的安裝
④ 片狀鐵氧體電感器陣列
與片狀固態電容器陣列一樣,片狀鐵氧體電感器陣列也有4線、6線和8線式的,同樣也具有相似的優良特性。
⑤ 交、直流扼流圈
共模扼流圈是由兩個繞向相同、匝數相同的繞組及磁芯構成的電感器,一般常用雙線并繞而成,如圖8所示。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反,產生的磁通量相互抵消,扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流(包括地環路引起的騷擾電流,也處稱作縱向電流)流經兩個繞組時方向相同,產生的磁通量同向相加,扼流圈呈現高阻抗,從而起到抑制共模噪聲的作用。
在一些特別的情況下,電源濾波電路中也可能用到同芯閉環對稱差模扼流圈,以抑制線路中頻率較高的差模噪聲。扼流圈在交、直流電源濾波電路和信號電路中都會用到。
鐵氧體磁環對抑制共模電流非常有用。如果配對的兩根導線(信號線和地線)穿過鐵氧體磁環,鐵氧體磁環僅抑制不希望存在的EMI電流,而對有用的差模電流沒有影響。鐵氧體磁環套在同軸電纜上也同樣有效。
鐵氧體磁環最明顯的缺點是阻抗不高。另外,在應用中還要注意到以下幾點:
a) 當環或珠的長度接近λ/4時(λ為濾除噪聲對應波長),它將變得無效。
b) 鐵氧體磁珠的端-端電容(典型值為1~3pF)在某些頻率上對其串聯阻抗旁路,使其對噪聲的衰減無效。
c) 當磁感應強度超過一定范圍時,鐵氧體磁環出現飽和,效率降低。
d) 當鐵氧體磁環套在多根電纜上時,可能增加相鄰導線之間的感性交擾。
③ 片狀鐵氧體磁珠電感器
圖7是一個片狀鐵氧體磁珠電感器的示意圖。簡單的片狀鐵氧體磁珠的內部引線是直線型的,所以它的阻抗值較小。而內部引線為盤繞式的片狀鐵氧體磁珠具有相對較高的阻抗值。
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