滤波原理.docx

1、滤波原理电源滤波电路 注：本文献只用于学习，禁止任何商业用途！电感的阻抗与频率成正比,电容的阻抗与频率成反比.所以,电感可以阻扼高频通过,电容可以阻扼低频 通过.二者适当组合,就可过滤各种频率信号.如在整流电路中,将电容并在负载上或将电感串联在负载上,可 滤去交流纹波.。 电感滤波属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压 有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。电容和电感的很多特性是恰恰相反的。 一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了 好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电

2、容（这里的高频是相 对而言）。 低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为 50Hz；而高 频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千 Hz 到几万 Hz。当我们将低频滤波电容 用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在 使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力 升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。 电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用 4.7u,用于滤低频，二级用 0.1u，用于滤高频，4.7uF 的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF 的

3、电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。 一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概 100 倍左右。电源滤波，开关电源，要看你的 ESR(电容的 等效串联电阻)有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库 防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也 就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！ 尽量将去耦电容和滤波电容等放置在对应元件的周围。 去耦电容和滤波电容的布置是改善电路板的 电源质量，提高抗干扰能力的一项重要举措。实际上，印制电路板的走线、引脚连线和接线等都有可能带 来

4、较大的电感效应，电感的存在会在电源线上引起纹波和毛刺，而在电源和地之间放置一个 0.1uF 的去耦 电容可以有效滤除高频纹波，如果电路板上使用的是贴片电容，可以使贴片电容紧靠着元件的电源引脚。 对于一些电源转换芯片，或者是电源输入端，最好还布置一个 10uF 或者更大的电容，以进一步改善电源 的质量。 电容的等效模型为一电感，旁路电容知识关于旁路电容的两点考虑| 1、 合 适 的 旁 路 电 容 是 大 容 量 还 是 小 容 量 ？ 嵌 入 式 设 计 中 ， 要 求 MCU 从 耗 电 量 很 大 的 处 理 密 集 型 工 作 模 式 进 入 耗 电 量 很 少 的 空 闲 /休 眠 模

5、 式 。 这 些 转 换 很 容 易 引 起 线 路 损 耗 的 急 剧 增 加 ，增 加 的 速 率 很 高 ，达 到 20A/ms 甚 至 更 快 。通 常 采 用 旁 路 电容来解决稳压器无法适应系统中高速器件引起的负载变化。 路电 旁 容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化， 降 低 负 载 需 求 。就 像 小 型 可 充 电 电 池 一 样 ，旁 路 电 容 能 够 被 充 电 ，并 向 器 件 进 行 放 电 。为 尽 量 减 少 阻 抗 ，旁 路 电 容 要 尽 量 靠 近 负 载 器 件 的 供电电源管脚和地管脚。 能够很好地防止输入值过大而导致的地电 这

6、 位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。 应 该 明 白 ，大 容 量 和 小 容 量 的 旁 路 电 容 都 可 能 是 必 需 的 。这 样 的 组合能够解决上述负载电流或许为阶梯变化所带来的问题， 且还能 而 提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。 负载变化非常剧烈的情况 在 下 ，则 需 要 三 个 或 更 多 不 同 容 量 的 电 容 ，以 保 证 在 稳 压 器 稳 压 前 提 供 足 够 的 电 流 。快 速 的 瞬 态 过 程 由 高 频 小 容 量 电 容 来 抑 制 ，中 速 的 瞬 态 过程由低频大容量来抑制，剩下则交给稳压器完成了。 还要记住一点，稳压

7、器也要求电容尽量靠近电压输出端。 2、 电 容 值 和 等 效 串 联 电 阻 ， 哪 个 更 重 要 ？ 一 个 等 效 串 联 电 阻 (ESR)很 小 的 相 对 较 大 容 量 的 外 部 电 容 能 很 好 地 吸 收 快 速 转 换 时 的 峰 值（ 纹 波 ）电 流 。但 是 ，有 时 这 样 的 选 择 容 易 引 起 稳 压 器（ 特 别 是 LDO）的 不 稳 定 ，所 以 必 须 合 理 选 择 小 容 量 和 大 容 量 电 容 的 容 值 。永 远 记 住 ，稳 压 器 就 是 一 个 放 大 器 ，放 大 器 可 能 出 现的各种情况它都会出现。 由 于 DC/DC

8、 转 换 器 的 响 应 速 度 相 对 较 慢 ， 输 出 去 耦 电 容 在 负 载 阶跃的初始阶段起主导的作用， 此需要额外大容量的电容来减缓相 因 对 于 DC/DC 转 换 器 的 快 速 转 换 ， 同 时 用 高 频 电 容 减 缓 相 对 于 大 电 容 的快速变换。 常， 容量电容的等效串联电阻应该选择为合适的值， 通 大以 便 使 输 出 电 压 的 峰 值 和 毛 刺 在 器 件 的 Dasheet 规 定 之 内 。 高 频 转 换 中 ， 容 量 电 容 在 0.01 到 0.1 F 量 级 就 能 很 好 满 足 小 要 求 。表 贴 陶 瓷 电 容 具 有 更 小

9、 的 ESR。另 外 ，在 这 些 容 值 下 ，它 们 的 体积 和 BOM 成 本 都 比 较 合 理 。 如 果 局 部 低 频 去 耦 不 充 分 ， 则 从 低 频 向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒， 时间长短主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。 用 ESR 大 的 电 容 并 联 比 用 ESR 恰 好 那 么 低 的 单 个 电 容 当 然 更 具 成 本 效 益 。 这 需 要 在 PCB 面 积 、 器 件 数 与 成 本 之 间 寻 求 折 衷 。 无怪乎，有人曾经说过，设计就是折衷的艺术！去耦电容和旁路电容的区别旁路电容不是理论概念

10、，而是一个经常使用的实用方法，在 50 - 60 年代，这个词也就有它特有的含义，现在已不多用。电子 管或者晶体管是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求 加有负压，为了在一个 直流电源下工作，就在阴极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫做“自偏”， 但是对（交 流）信号而言，这同时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁路 电容。后来也有的资料把它引申使用于类似情况。 去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数

11、字 电路中典型的去耦电容值是 0.1F。这个电容的分布电感的典型值是 5H。0.1F 的去耦电容有 5H 的分布电感，它的并行共 振频率大约在 7MHz 左右，也就是说，对于 10MHz 以下的噪声有较好的去耦效果，对 40MHz 以上的噪声几乎不起作用。1F、 10F 的电容，并行共振频率在 20MHz 以上，去除高频噪声的效 果要好一些。每 10 片左右集成电路要加一片充放电电容，或 1 个蓄能电容，可选 10F 左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的 结构在高频时表现为电感。 要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按 C=1/F，即 10MHz

12、取 0.1F，100MHz 取 0.01F。 一般来说，容量为 uf 级的电容，象电解电容或钽电容，他的电感较大，谐振频率较小，对低频信号通过较好，而对高频信号， 表现出 较强的电感性，阻抗较大，同时，大电容还可以起到局部电荷池的作用，可以减少局部的干扰通过电源耦合出去；容量 为 0.0010.1uf 的电容，一般为陶 瓷电容或云母电容，电感小，谐振频率高，对高频信号的阻抗较小，可以为高频干扰信号提 供一条旁路，减少外界对该局部的耦合干扰 旁路是把前级或电源携带的高频杂波或信号滤除；去藕是为保正输出端的稳定输出（主要是针对器件的工作）而设的“小水塘 ”， 在其他大电流工作时保证电源的波动范围不

13、会影响该电路的工作；补充一点就是所谓的藕合：是在前后级间传递信号而不互相 影响各级静态工作点的元件 有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以 减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。 摘引自伦德全电路板级的电磁兼容设计一文，该论文对噪声耦和路径、去耦电容和旁路电容的使用都讲得不错。请参阅。 从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变， 在上升沿比较陡峭的时候，电流比 较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管 脚上的电

14、感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一 种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。 去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。 旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路 电容一般比较小，根据谐振频率一般是 0.1u，0.01u 等，而去耦合电容一般比较大，是 10u 或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。PCB 版图设计基于高速 FPGA 的 PCB 设计技术 去耦和旁路电容器 去耦和旁路电容器另一个确定 PCB 的实际性能是否符合预期的重要方面需要

15、通过增加去耦和旁路 电容进行控制。增加去耦电容器有助于减小 PCB 的电源与地平面之间的电感，并 有助于控制 PCB 上各处的信号和 IC 的阻抗。 旁路电容有助于为 FPGA 提供一个干 净的电源(提供一个电荷库)。 传统规则是在方便 PCB 布线的任何地方都应布置去 耦电容，并且 FPGA 电源引脚的数量决定了去耦电容的数量。但是，FPGA 的超高 开关速度彻底打破了这种陈规。 在典型的 FPGA 板设计中，最靠近电源的电容为负载的电流变化提供频率补偿。 为了提供低频滤波并防止电源电压下降，要使用大的去耦电容。电压下降是由于 设计电路启动时稳压器的响应有所滞后。 这种大电容通常是低频响应较

16、好的电解 电容，其频率响应范围从直流到几百 kHz。 每个 FPGA 输出变化都要求对信号线充电和放电，这需要能量。旁路电容的功能 是在宽频率范围内提供局部能量存储。另外，还需要串联电感很小的小电容来为 高频瞬变提供高速电流。 而反应慢的大电容在高频电容器能量消耗掉以后继续提 供电流。 电源总线上大量的电流 瞬变增加了 FPGA 设计的复杂性。这种电流瞬变通常与 SSO/SSN 有关。插入电感非常小的电容器将提供局部高频能量，可用来消除电源 总线上的开关电流噪声。 这种防止高频电流进入器件电源的去耦电容必须非常靠 近 FPGA(小于 1cm)。有时会将许多小电容并联到一起作为器件的局部能量存储

17、， 并快速响应电流的变化需求。 总的来说，去耦电容的布线应该绝对的短，包括过孔中的垂直距离。即便是增加 一点点也会增加导线的电感，从而降低去耦的效果。图 3-典型的 PCB 叠层和设计要素(注意 BGA 焊盘要偏离于过孔)。其他技术 随着信号速度的提高，要在电路板上轻松地传输数据变得日益困难。可以利用其 他一些技术来进一步提升 PCB 的性能。 首先也是最明显的方法就是简单的器件布局。 为最关键的连接设计最短和最直接 的路径已经是常识了，但不要低估了这一点。既然最简单的策略可以得到最好的 效果，何必还要费力去调整板上的信号呢？几乎同样简要的方法是要考虑信号线的宽度。 当数据率高达 622MHz

18、 甚至更高时， 信号传导的趋肤效应变得越发突出。当距离较长时，PCB 上很细的走线(比如 4 个或 5 个 mil)将对信号形成很大的衰减，就像一个没有设计好的具有衰减的低 通滤波器一样，其衰减随频率增加而增加。背板越长，频率越高，信号线的宽度 应越宽。对于长度大于 20 英寸的背板走线，线宽应该达到 10 或 12mil。 通常， 板子上最关键的信号是时钟信号。当时钟线设计得太长或不好的话，就 会为下游放大抖动和偏移，尤其是速度增加的时候。应该避免使用多个层来传输 时钟，并且不要在时钟线上有过孔，因为过孔将增加阻抗变化和反射。如果必须 用内层来布设时钟，那么上下层应该使用地平面来减小延迟。当

19、设计采用 FPGA PLL 时，电源平面上的噪声会增加 PLL 抖动。如果这一点很关键，可以为 PLL 创 建一个“电源岛”， 这种岛可以利用金属平面中的较厚蚀刻来实现 PLL 模拟电源 和数字电源的隔离。 对于速率超过 2Gbps 的信号， 必须考虑成本更高的解决方案。 在这么高的频率下， 背板厚度和过孔设计对信号的完整性影响很大。 背板厚度不超过 0.200 英寸时效 果较好。当 PCB 上为高速信号时，层数应尽可能少，这样可以限制过孔的数量。 在厚板中，连接信号层的过孔较长，将形成信号路径上的传输线分支。采用埋孔 可以解决该问题，但制造成本很高。另一种选择是选用低耗损的介电材料，例如 R

20、ogers 4350, GETEK 或 ARLON。这些材料与 FR4 材料相比其成本可能接近翻倍， 但有时这是唯一的选择。 还有其他一些用于 FPGA 的设计技术，它们可 以提供 I/O 位置的一些选择。在关 键的高速 SERDES 设计中，可以通过保留(但不用)相邻的 I/O 引脚来隔离 SERDES I/O。例如，相对于 SERDES Rx 和 Tx, VCCRX# 和 VCCTX#以及球位置，可以保留 3x3 或 5x5 BGA 球区域。或者如果可能的话，可以保留靠近 SERDES 的整个 I/O 组。如果设计中没有 I/O 限制，这些技术能够带来好处，而且不会增加成本。 最后，也是最

21、好的方法之一是参考 FPGA 制造商提供的参考板。绝大部分制造商 会提供参考板的源版图信息，虽然由于私有信息问题可能需要特别申请。这些电 路板通常包含标准的高速 I/O 接口，因为 FPGA 制造商在表征和认证他们的器件 时需要用到这些接口。不过要记住，这些电路板通常是为多种用途设计的，不见 得与特定的设计需求刚好匹配。虽然这样， 它们仍可以作为创建解决方案的起 点。 本文小结 当然，本文只谈及了一些基本的概念。这里所涉及的任何一个主题都可以用整本 书的篇幅来讨论。 关键是要在为 PCB 版图设计投入大量时间和精力之前搞清楚目 标是什么。一旦完成了版图设计，重新设计就会耗费大量的时间和金钱，即

22、便是 对走线的宽度作略微的调整。 不能依赖 PCB 版图工程师做出能够满足实际需求的 设计来。原理图设计师要一直提供指导，作出精明的选择，并为解决方案的成功 负起责任。 典型的交流电到直流电转化有这么四个模块： 一、变压（你已经做到了，将220V交流变成了11V交流） 二、整流-就是将正弦信号转换为只有正半周的信号，可以是全波整流，也可以是半波整流，最典型的是桥式全波整流，需四只二极管（型号可以是1N40011N4007，你取4001就可以了，因为才11V的电压，电压再高或者电流变大就要考虑往上走的型号了，一般来将4007足够了，耐压1000V），此外，也有专门的整流桥集成电路。整流的作用主要

23、是将正弦信号变成脉动的信号，这样就有的直流分量了（这时的信号可以认为是交流信号和直流信号的叠加） 三、滤波-刚才已经将正弦信号变成了脉动的信号，这时将既有直流成分又有交流成分的脉动信号中的交流信号滤掉就可以了。这步很简单，加一个电容就办事，电容越大，滤波效果越好，最低100UF就够了，但一般有220UF，甚至1000、10000UF，这要看所接负载的要求了。 好了，到这里，你的直流电源就可以用了，世面上的直流电源一般就这种结构。 所以，你将交流变成直流，只需四支二极管或一个整流桥、一个电容就可以了。 不过，你想让你的电源更好些的话，还有第四模块 四、稳压-稳压电路有很多，简单点的买个稳压管串联个电阻就行了，复杂点的当然还有很多，也有现成的集成稳压块，按照说明接就可以了。 其它就是一些辅助电路，如保护电路，指示电路等，一般就能省则省了。