李萬峰

(中國空空導彈研究院8所，河南洛陽 471009)

電源系統(tǒng)的干擾是電子系統(tǒng)的主要噪聲來源，也是影響系統(tǒng)正常工作的重要干擾源。因此，有效抑制電源系統(tǒng)的干擾成為提高電路抗干擾性能的重要環(huán)節(jié)。電源濾波電路種類較多，但經常使用的是文中介紹的兩種主要濾波器。

1 RC濾波器

實際上直流電源存在內阻，交流信號流過內阻會在內阻上產生壓降，這個壓降是造成電路中有害干擾的根本原因。而采用RC濾波電路可有效抑制干擾。

圖1 兩級放大電路

如圖1所示兩級放大電路，假設電路中沒有濾波電容C2，并假設某瞬間在VT1管基極上信號電壓Ui在增大，設定為“+”。由于共發(fā)射極放大器的輸出信號和輸入信號相位相反，這樣VT1管集電極上的信號電壓相位為“－”，VT2管基電極信號電壓相位為“－”(耦合電容C3不移相位)，VT2集電極的信號電壓相位為“+”。由于直流電源V+不可避免地存在內阻R0，VT2管集電極信號電流流過R0時產生了信號壓降，即電路中的B點有信號電壓，且相位為“+”。電路中B點的這一信號經R4加到A點，A點信號電壓相位也為“+”，通過R1加載到VT1管基電極自激，產生振蕩，這便是多級放大電路中有害交鏈引起的電路自激。

在電路中加入電容C2后，與R4構成濾波器，電路中A點的信號被C2旁路到地端，而不能通過電阻R1加到VT1管基極，這樣多級放大電路中不能產生正反饋，也就沒有級間的交鏈現(xiàn)象，達到了消除級間有害交鏈的目的。而且電容C4對直流工作電壓還有濾波作用。電阻R4的作用是進一步提高濾波效果，因為電路中B點的信號電壓被R4和C2構成的低通濾波器衰減，比不加入R4時A點的信號電壓還要小，所以濾波效果更好。R4除具有加強濾波的作用外，還為前級放大電路提供直流工作電壓，直流電流流過R4后在其上有壓降，這樣降低了前級電路的直流工作電壓，這對減小噪聲很有幫助。

在多級放大電路中，至少每兩級共發(fā)射極電路要設一節(jié)濾波電路，因為每一級共發(fā)射極放大器對信號電壓反相一次，兩級放大電路反相兩次后信號電壓的相位又成為同相，這就容易產生級間正反饋而出現(xiàn)自激。所以，級數(shù)較多的放大器中要設有多節(jié)濾波電路。

同樣在由運放構成的多級放大電路中，各級間通過電源內阻的耦合形成相互間的影響是產生自激振蕩的根本原因。因此，對于多級放大器，除了在電源進線端加裝去耦濾波電容之外，還應在各級放大器間加RC濾波器。如圖2所示為在一具有3級放大器中加接RC濾波器的情況。圖中電源進線端去耦由一個大容量的電解電容C2和一個小容量的高頻電容C1并聯(lián)組成。電解電容提供低頻去耦通道，小容量電容提供高頻去耦通道。后續(xù)RC電路進一步濾除紋波，這樣的去耦濾波電路使電路處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，對于高增益放大器(增益＞60 dB)，增設這種級間去耦濾波電路十分有效，否則極易形成自激振蕩。

圖2 多級放大電路中的去耦濾波器

對電源芯片的輸出，電容要盡可能靠近輸出管腳，以防止自激。筆者最初設計的電源就因電容離輸出端的管腳遠而發(fā)生過自激。

RC濾波器中電阻電容的選擇要根據(jù)電路有效工作頻率低于濾波器的截止頻率為首要選擇原則，截止頻率的計算如式(1)所示。電阻的大小還要考慮電源壓降，應不影響電路的直流工作點，封裝尺寸要考慮功率耗散。

在電源去耦濾波電路中，大容量的電解電容旁邊要并聯(lián)一個小容量電容。因為電解電容是一種低頻電容，它主要工作在頻率較低的電路中，高頻特性不好，容量大的電解電容其高頻特性更差。大容量電解電容的等效電路是一個純電容C0和一個純電感L0的串聯(lián)。當頻率較高時C0的容抗減小，但L0的感抗增大，結果電容的阻抗增大，高頻特性變差。大容量電解電容尤其是鋁電容的電感成份較大，究其原因是鋁電容的兩極板由鋁箔構成，鋁箔是導體，為減小電解電容的體積而將鋁箔卷起來。由電感結構可知，將一個導體卷起來會出現(xiàn)電感。由于大容量電解電容器容量大，鋁箔更長，卷得更多，這樣等效電感更大，高頻特性更差。圖3所示是鋁電解電容的頻率特性。由圖可見，鋁電解在頻率高于25 kHz以后，阻抗變大，頻率特性變差。但由于鋁電解電容容量大，價格便宜，因此應用廣泛。而且鋁電解電容在偶然擊穿后，由于電解質的作用，擊穿處將重新形成氧化膜而自動恢復其絕緣性，這就是所謂的“自愈”性。

圖3 鋁電解電容頻率特性

在濾波電路中，經常使用的另一類電解電容是鉭電容，也是一種有極性的電解電容。與鋁電解電容相比其優(yōu)點是:體積小，易制成片狀電容;容量/體積比大;溫度使用范圍寬，一般均能在－55～+85℃范圍內工作，高者可在－125～+155℃條件下工作，而一般鋁電解電容的溫度范圍是－40～+85℃，且此時電性能不如鉭電容;具有更小的漏電流和更高的絕緣電阻以及更高的電性能;阻抗頻率特性好，自身電感較小，自諧頻率一般可達到50 kHz以上;因頻率的升高而引起的電容量下降較鋁電解電容小;存儲性能好，使用壽命長，可靠性更高。但鉭電解電容價格高，容量范圍和工作電壓范圍不如鋁電解電容寬。

在RC濾波器中，電容的容值要根據(jù)干擾頻率進行選擇。已有實驗表明，干擾頻率越高，所用電容越小，而且高頻時，大電容已不起作用，小電容卻起著關鍵的濾波作用。圖4給出不同容值的聚酯電容的濾波特性，也可作為其他不同材料電容的頻率特性的參考。

圖4 不同容值的聚酯電容頻率特性

2 LC濾波器

在高頻電路中經常采用由電感、電容構成的LC濾波器。LC濾波器對濾波元件的要求比較高，云母以及高頻瓷介電容器由于其串聯(lián)電阻和自身電感都很小，是LC濾波器中主要使用的電容。

在LC濾波器中，正確選擇濾波電路的形式非常重要，電路形式選擇的依據(jù)是源端阻抗原則，電感、電容的大小根據(jù)頻率選擇。表1列出LC濾波器選用的阻抗失配端接原則，以及截止頻率計算公式。電感L的大小要根據(jù)電流選擇，直流電阻要小，Q值要高。電流大時電感要小些，以防止電感飽和導致電感減小。

由于電感在工作時，一方面線圈中的電流變化將在空間形成一個變化的磁通;另一方面，外部干擾磁通如果和線圈交鏈，將在線圈中產生一個噪聲電動勢，而不論線圈的繞法如何，這種情況都普遍存在。就對磁場的敏感性而言，有磁芯的電感比空心電感更敏感一些，這是因為構成磁芯材料的低磁阻特性能更多的收集外部磁場的磁力線的緣故。一般來說，開放式的磁芯比半開放的磁環(huán)漏磁通要大，而半開放式磁環(huán)的漏磁通又要比封閉式的磁罐大。一個密封性較好的磁罐所產生的漏磁通是相當小的，而一般的磁環(huán)或磁罐式線圈對磁場的敏感性都要小于普通空心線圈。因此，在選用電感時，從抗干擾的角度出發(fā)，優(yōu)先選用漏磁通小的元器件。

高頻電路極易拾取噪聲信號，有時，即便是一小段導線或是器件的一段引線，處理不當都極易感應外界噪聲而形成干擾。因此對高頻電路除了采取電源濾波這些基本的電路措施之外，對整個電路的屏蔽和對導線的濾波也至關重要。為提高屏蔽罩的效果，所有進出屏蔽罩的引線，都應進行濾波，以防止外部噪聲由導線傳入罩內，在這種情況下通常采用穿心電容。由于同容量的穿心電容比標準的電容器具有更低的自感，因而在高頻場合，尤其是穿過屏蔽罩的地方經常采用。對引線的濾波，一般可采用單電容，如云母或高頻瓷介電容，但可以采用電感L如高頻扼流圈及電容C組成π型濾波器，濾波效果將更好。如果在高頻扼流圈的外部再加裝隔離屏蔽罩，性能會更優(yōu)越。所有高頻濾波器中使用的電容器、扼流圈以及屏蔽罩的接地線應盡可能的短，以利于提高濾波效果。

除了分立的LC濾波器之外，在電路板上廣泛使用三端濾波器。三端濾波器是將小磁珠與三引線端子式的電容器封裝在一起，構成了T型電路，是種小型化的LC濾波器，高頻濾波性能好，廣泛應用在抑制電路板上的傳導干擾和高頻電磁輻射。陶瓷電容的大小決定于衰減的截止頻率，容值越大，截止頻率越低，選取濾波器時應以電路有效工作頻率低于濾波器的截止頻率為首要選擇原則。使用這類濾波器需特別對電容到地的引線長度進行控制，長度越短，高頻效果越好。

3 結束語

良好的電源是電路可靠且穩(wěn)定工作的必需條件，而RC濾波器和LC濾波器是電源濾波的有效措施，熟練掌握這兩種電路設計方法，并結合良好的接地與電磁兼容技術，可實現(xiàn)理想的電路設計。

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