硬件滤波参考设计方案

Posted 2022-03-03 三明治开发社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了硬件滤波参考设计方案相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、概述

滤波器的实现即可以通过软件，也可以通过硬件实现。滤波就是滤掉电路中不需要的成分，留下有用的成分。本章讲述各种硬件滤波设计，硬件滤波主要是通过电容电阻电感组合起来滤波。

二、原因

在整流电路输出的电压是单向脉动性电压，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波，消除电压中的交流成分，成为直流电后给电子电路使用。

三、设计

在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性的器件，如：电容器、电感器。本文对其各种形式的滤波电路进行分析。分析之前，首先了解一下单向脉动性直流电压的特点。
如图1中左边的一部分图可以看出，整流后的电压方向性无论在何时都是一致的，但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现出周期性的变化，所以是脉动性的。根据波形分解原理可知，这一电压可以分解一个直流电压和一组频率不同的交流电压，如图1中右边的一部分图所示，虚线部分是单向脉动性直流电压 Uo中的直流成分，实线部分是Uo 中的交流成分。

图1

1、电容滤波电路

概述： 根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。如图3所示是电容滤波原理图。

原理： 如图2所示为整流电路的输出电路。交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的Uo。图3所示为电容滤波电路，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。由于电容C对直流电相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C到地，只有加到负载R上。对于整流电路输出的交流成分，因C容量较大，容抗较小，交流成分通过C流到地端，而不能加到负载R上。这样，通过电容C的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压+Uo。

图2

图3

注意: 滤波电容C的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载R上的交流成分越小，滤波效果就越好。

2、电感滤波电路

概述：如图4所示是电感滤波原理图。由于电感L对直流电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加到负载R上。

原理： 对于整流电路输出的交流成分，因L电感量较大，感抗较大，对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止了交流电通过C流到加到负载R。这样，通过电感L的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压+Uo。

图4

注意：滤波电感L的电感量越大，对交流成分的感抗越大，使残留在负载R上的交流成分越小，滤波效果就越好，但直流电阻也会增大。

3、π 型 RC 滤波电路

概述： 图 5 所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是三个滤波电容，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、 R2 和 C3 构成第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器，所以称为 π 型 RC 滤波电路。

原理： 从整流电路输出的电压首先经过 C1 的滤波，将大部分的交流成分滤除，然后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路，因 C2 的容抗很小，所以对交流成分的分压衰减量很大，达到滤波目的。对于直流电而言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分压电路对直流不存在分压衰减的作用，这样直流电压通过 R1 输出。

图5

注意：（1）在 R1 大小不变时，加大 C2 的容量可以提高滤波效果。在 C2 容量大小不变时，加大 R1 的阻值可以提高滤波效果。但是，滤波电阻 R1 的阻值不能太大，因为流过负载的直流电流要流过 R1，在 R1 上会产生直流压降，使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大，或流过负载的电流越大时，在 R1 上的压降越大，使直流输出电压越低。

（2） C1 是第一节滤波电容，加大容量可以提高滤波效果。但是 C1 太大后，在开机时对 C1 的充电时间很长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、时间太长时，会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小，通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。

（3）这一滤波电路中共有三个直流电压输出端，分别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电容 C1 滤波；Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所以滤波效果更好， Uo2 中的交流成分更小；Uo3 则经过了两节滤波电路的滤波，滤波效果最好，所以 Uo3 中的交流成分最少。

（4）三个直流输出电压的大小是不同的。Uo1 电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中；Uo2 电压稍低，这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降；Uo3 电压最低，这一电压一般供给前级电路作为直流工作电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，且要求直流工作电压中的交流成分少。

（5）在输出电流不大的情况下用RC，R的取值不能太大，一般几欧姆至几十欧姆。其优点是RC体积小，成本低，其缺点是电阻要消耗一些能量，效果不如LC电路，滤波电容取大一点效果也不错。

（6）当采用这种 π 形 RC 滤波电路时，可以使第一个电容容量略有减少，通过调整后面的 L 形 RC 滤波电路来提高滤波效果。

（7）RC滤波器一般常与运算放大器组合使用，构成有源滤波器，多作为低频信号的滤波。例如，在锁相环路中作为环路滤波器使用。

4、π 型 LC 滤波电路

概述： 图 6 所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感，因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻，而滤波电感对交流电感抗大，对直流电的电阻小，这样既能提高滤波效果，又不会降低直流输出电压。

原理：在图 6 的电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容 C1 滤波，去掉大部分交流成分，然后再加到 L1 和 C2 滤波电路中。对于交流成分而言， L1 对它的感抗很大，这样在 L1 上的交流电压降大，加到负载上的交流成分小。对直流电而言，由于 L1 不呈现感抗，相当于通路，同时滤波电感采用的线径较粗，直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的主要优点。

图6

注意：LC电路里有一个电感，根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。其缺点是电感体积大，笨重，价格高，一般的电子线路的电源都是RC滤波，较少用LC滤波电路，但在大电流负载时或者数MHz以上的高频场合需要采用LC滤波电路。

5、单管电子滤波器

概述： 使三极管正常工作必须给它建立直流电路，电子滤波器中使用了三极管，因此电子滤波器中的三极管也要有相应的直流电路。如图 7 所示是电子滤波器。电路中的 Q1 是三极管，起到滤波管作用， C1 是 Q1 的基极滤波电容， R1 是 Q1 的基极偏置电阻， RL1是这一滤波电路的负载， C2 是输出电压的滤波电容。

原理：（1）电路中的 Q1、 R1、 C1 组成电子滤波器电路，这一电路相当于一只容量为 C1×β1 大小电容器，β1 为 Q1 的电流放大倍数（β1一般大于50 ），而晶体管的电流放大倍数比较大，所以等效电容量很大，因此电子滤波器的滤波性能是很好的。等效电路如图8所示，图中 C 为等效电容。例如，当C1为220微法，Q1电流放大倍数为50时，这一电子滤波器的滤波效果就相当于一个11nF的滤波电容的滤波效果。

（2）电路中的 R1 和 C1 构成一节 RC 滤波电路， R1 一方面为 Q1 提供基极偏置电流，同时也是滤波电阻。由于流过 R1 的电流是 Q1 的基极偏置电流，这一电流很小， R1 的阻值可以取得比较大，这样 R1 和 C1 的滤波效果就很好，使 Q1 基极上直流电压中的交流成分很少。由于发射极电压具有跟随基极电压的特性，这样 Q1 发射极输出电压中交流成分也很少，达到滤波的效果。

（3）在电子滤波器中，滤波主要是靠 R1 和 C1 实现的，即 RC 滤波电路，但与前面介绍的 RC 滤波电路是不同的。在这一电路中流过负载的直流电流是 Q1 的发射极电流，流过滤波电阻 R1 的电流是 Q1 基极电流，基极电流很小，所以可以使滤波电阻 R1 的阻值设得很大（滤波效果好），但不会使直流输出电压下降很多。

（4）电路中的 R1 的阻值大小决定了 Q1 的基极电流大小，从而决定了 Q1 集电极与发射极之间的管压降，也就决定了 Q1 发射极输出直流电压大小，所以改变 R1 的大小，可以调整直流输出电压 +Uo 的大小。

图7

图8

注意：（1）当电阻 R1 开路时，电子滤波管 Q1 发射极没有直流输出电压，当电阻R1阻值大小变化时，电子滤波管 Q1 发射极的直流输出电压大小变化，R1阻值大，直流输出电压小，R1阻值小，直流输出电压大。

（2）当滤波电容 C1 开路时，电子滤波器没有滤波作用，Q1 发射极输出的直流电压中的交流成分增大；当滤波电容 C1 击穿时，电子滤波管 Q1 发射极直流输出电压为0V，当滤波电容 C1 漏电时，电子滤波管 Q1 发射极直流输出电压将有所下降。

（3）当电子滤波管 Q1 集电极与发射极之间开路时，电子滤波器没有直流工作电压输出；当 Q1 集电极和发射极之间短路时，Q1 发射极电压增大许多，电路的直流工作电压增大许多，电路噪声明显增大。

（4）当滤波电容 C2 开路时，电子滤波器的滤波作用略有下降，Q1 发射极输出的直流电压大小不变化；当滤波电容 C2 击穿时，电子滤波管 Q1 发射极直流输出电压为0V，当滤波电容 C2 漏电时，电子滤波管 Q1 发射极直流输出电压将有所下降。

（5）电子滤波器电路中有两个滤波电容，其中起主要作用的是电子滤波管基极上的滤波电容，即电路中的C1。

6、双管电子滤波器

概述： 有些场合下，为了进一步提高滤波效果，可以采用双管电子滤波器电路，这种电路中采用两个电子滤波管构成了复合管电路，这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之积，显然可以大幅提高滤波效果。如图9所示是双管电子滤波电路，电路中，Q1 和 Q2 是两个同极性三极管，它们构成复合管；电阻 R1 是这两个三级管的基极偏置电阻，RL1是这一电子滤波器的负载电阻；C1 是电子滤波管基极滤波电容，C2 是电子滤波器的输出端滤波电容。

原理：（1）电阻 R1 给 Q1 基极偏置，使之产生基极偏置电流，Q1 有发射极电流，其发射极电流直接流入 Q2 基极，这样 Q2 也有了静态偏置电流，Q1 和 Q2 处于导通状态。

（2）复合管电路中，Q1 和 Q2 复合后可以等效成一个NPN型三极管，这个等效三极管的电流放大倍数等于两个三极管电流放大倍数之积，如果两个三极管的电流放大倍数都是50，那复合管的电流放大倍数是2500，可见复合管可大幅度提高电流放大倍数。

（3）双管电子滤波器电路与单管电子滤波器电路的工作原理一样，只是采用了复合管后电流放大倍数增大许多，使滤波效果更好。

图9

注意：（1）双管电子滤波器电路的注意事项与单管电子滤波器电路的注意事项基本相同。

（2）当 Q1 开路时，Q2 发射极输出的直流电压大幅下降，或直流输出电压为0V，当 Q1 短路时，Q2 发射极电压大幅增大，存在烧坏 Q2 的危险，同时，电路噪声大幅增大。

（3）当 Q2 开路时，Q2 发射极上的直流电压输出为0V；当 Q2 短路时，Q2 发射极电压大幅增大，电路噪声大幅增大。

7、电子稳压滤波器

概述: 电子滤波器电路本身仅起滤波作用，没有稳压作用，如果在电路中加入稳压二极管，则可使电子滤波器输出的直流工作电压比较稳定。如图10 所示是另一种电子稳压滤波器，与单管电子滤波器相比，在 Q1 基极与地端之间接入了稳压二极管 D1。

原理：（1）在 Q1 基极与地端之间接入了稳压二极管 D1 后，输入电压经 R1 使稳压二极管 D1 处于反向偏置状态，此时 D1 的稳压特性使 Q1 管的基极电压稳定，这样 Q1 发射极输出的直流电压也比较稳定。注意：这一电压的稳定特性是由于 D1 的稳压特性决定的，与电子滤波器电路本身没有关系。

（2）R1 同时还是 D1 的限流保护电阻。当流过稳压二极管的电流增大时，在电阻R1上的电压降加大，这样加到稳压二极管 D1 上的电压减小，防止了流过 D1 的电流进一步增大，达到保护稳压二极管的目的。在加入稳压二极管 D1 后，改变 R1 的大小不能改变 Q1 发射极输出电压大小，电子滤波器的直流输出电压大小由稳压二极管的稳压值决定。由于 Q1 的发射结存在 PN 结电压降，所以发射极输出电压比 D1 的稳压值略小。

（3）C1、 R1 与 Q1 同样组成电子滤波器电路，起到滤波作用。