数字电路基础知识系列（六）之LC滤波器的基础知识

在这里插入图片描述

LC滤波器，是指将电感(L)与电容器 ©进行组合设计构成的滤波电路，可去除或通过特定频率的无源器件。电容器具有隔直流通交流，且交流频率越高越容易通过的特性。而电感则具有隔交流通直流，且交流频率越高越不易通过的特性。因此，电容器和电感是特性完全相反的被动元器件，通过将电容和电感组合，就可去除或通过特定频率的信号。

1 LC滤波器的种类

LC滤波器按所通过信号的频段分为以下三类

1.1 低通滤波器(LPF)

低通滤波器是一种用于传递直流或者低频信号，衰减高频信号的滤波器。
作为被最广泛使用的滤波器电路，主要用于剔除高频噪声。此外，音响中用于剔除低音用扬声器的高音/中音成分。
在这里插入图片描述

1.2 高通滤波器(HPF)

高通滤波器是允许高于某一截频的频率通过，而大大衰减较低频率的一种滤波器。这种滤波器被用于剔除听阈的低频噪声，或剔除高音用扬声器的中音/低音成分等。
在这里插入图片描述

1.3 带通滤波器(BPF)

带通滤波器是用来只允许特定频率的信号通过，屏蔽其他频率信号的滤波器电路。这种滤波器被用于收音机的选台(调整频率)、或剔除中音用扬声器的低音/高音成分等。
在这里插入图片描述

2 低通滤波器的种类

电容器和电感，虽然各自单独具有噪声去除效果，但是通过将2个零部件进行组合，就可获得更大的噪声去除效果。串联连接的电感以隔断高频噪声，用并联连接的电容器来使高频噪声旁通的方式发挥作用。但是，噪声去除效果也会随输入侧和输出侧各自的外部阻抗的高低而改变。譬如，即使试图用低阻抗的电容器来使噪声旁通，如果输出阻抗更低，则噪声会流向负荷侧。相反，即使试图以高阻抗的电感来隔断噪声，如果输出阻抗更高，则噪声会流向负荷侧。因此，外部阻抗高时，将电容器配置在附近；外部阻抗低时，将电感配置在附近。如上所述，考虑外部阻抗，低通滤波器可区分为以下4类。

2.1 L型滤波器(1)

应用场景：输入阻抗 ⇒ 高；输出阻抗 ⇒ 低时
在这里插入图片描述

2.2 L型滤波器(2)

应用场景：输入阻抗 ⇒ 低；输出阻抗 ⇒ 高时
在这里插入图片描述

2.3 π型滤波器

应用场景输入阻抗 ⇒ 高；输出阻抗 ⇒ 高时
在这里插入图片描述

2.4T型滤波器

应用场景：输入阻抗 ⇒ 低；输出阻抗 ⇒ 低时
在这里插入图片描述
相比L型滤波器，π型和T型滤波器的噪声去除效果更好，因而还要考虑这方面的因素来选定电路。

3 低通滤波器的零部件选择

要在信号电路上从信号波形去除噪声时，必须选定在信号频率下不会衰减而在噪声频率下衰减会增大的零部件常数。要在电源电路上从直流电压去除噪声时，由于直流的衰减为零，因而只考虑噪声频率的衰减量。
滤波器的衰减特性(频率引起的衰减量的变化)可通过计算来求得，但实际的电容器和电感除了纯粹的静电电容和电感外还包含有影响性能的成分，因而无法单纯地计算。
在L型滤波器上标示出基于电容器和电感的实际等效电路的电路图。
电容器上除了静电电容©外还包含有等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)，电感上除了电感(L)外还包含有直流电阻(DCR)和杂散电容(Cp)。
在这里插入图片描述
电容器若只是C成分，频率越高阻抗低，噪声吸收效果越好，但在实际的电容器上则根据ESR来决定阻抗的下限值，并且阻抗在高频域会随ESL而升高，变得不易吸收噪声。
此外，电感若只是L成分，频率越高阻抗高，噪声隔断效果越好，但实际上阻抗会随电感器中所包含的Cp而在高频域下降，噪声的隔断效果下降。
在这里插入图片描述

再者，各自的成分也会随频率而发生值的变化，因而将这些因素全都考虑进来选定零部件就变得相当难。
因此，LC滤波器上经常会使用模拟工具来选定零部件。
通常，模拟工具上可使用按零部件的型号别提供的S参数或SPICE模型，来计算每个频率的正确的衰减量。

4 仿真

在线仿真路径

需求：射频噪声中包括AM频带(1MHz左右)和FM频带(80MHz左右)，选定在这2个频带衰减量满足-60dB以上的零部件。
另外，前提条件是假定输入/输出阻抗为50Ω。
目标频率： 1MHz, 80MHz
目标衰减量：-60dB
输入/输出阻抗：150Ω

1 仿真条件
从L型、π型、T型中选择。
今本次选择π型，并将输入/输出阻抗设定为50Ω。
在这里插入图片描述
** 2 选择使用零部件**
从已被登录的零部件中选择任意的电容器型号和电感型号。
本次在①100μF的电容器和10μH的电感、②10μF的电容器和1μH的电感这2个条件下进行了模拟。

** 3 仿真结果**
模拟结果，满足目标值的为选定②的组合。实际上进行电路和零部件的各种组合的模拟，选定最佳的零部件。
在这里插入图片描述
本次模拟中得出的结果是，C值和L值小的组合，比C值和L值大的组合更满足目标值。这取决于在高频域电容器的ESL和电感的Cp有较大的影响。
在低频域(大致在0.1MHz以下)，ESL和Cp的影响小，衰减量大致上只由C值和L值来决定，因而C值和L值大的①的衰减量增大。但是，在像FM频带(80MHz)那样的高频域，ESL和Cp的值大的①的衰减量减小，因而衰减量发生了逆转。
(如果是相同规格的零部件，C值大的ESL也会增大，此外，L值大的Cp也会增大)
如上所述，在进行LC滤波器的设计时，如果不考虑电容器的ESL和电感的Cp选定零部件，就会得到与预测不同的结果，对此要予以注意。