无源滤波器设计与选型

简介：

无源滤波器，顾名思义，就是不需要额外提供电源。滤波器一般是由电容器、电感和电阻适当组合而成。

有源滤波器就需要用到运放等。

无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合，一般我是用来接在DC-DC的电源后面消除纹波干扰，因为DC-DC电源虽然效率高，但是由于开关管的噪声会导致输出电压具有纹波，这种直流电压如果直接给运放等芯片供电的话明显是不合格的。

在B站的一篇文章里写到LC输出滤波器可以抑制电源的高频纹波，可以与电源故有的输出电容构成π型滤波，受到大家的喜爱，但它对电源的动态性能有巨大影响，有可能引起自激振荡。这是由于LDO内部有着极为复杂的补偿电路，但它基本为阻性负载设计。

因此在这里不建议在LDO后面再添加LC滤波。

1、RC滤波器

RC滤波器实际上是电阻器和电容器形成的与频率相关的分压器。

当输入信号的频率低时，电容的阻抗相对于电阻的阻抗高，因此，大部分输入电压在电容上（即负载两端）

当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低，这意味着电容上的电压降低，并且较少的电压传输到负载。

因此，低频通过并且高频被阻挡，这就是低通滤波器！

当然，这是一个定型的描述，在实际电路设计中我们需要一个准确的，能定量描述的方式帮助我们设计电路。

截止频率

信号在经过滤波器以后不会引起显着衰减的频率范围称为通带，显著衰减的频率范围称为阻带。

RC低通滤波器的截止频率实际上是输入信号幅度降低3dB的频率（选择该值是因为幅度降低3dB对应于功率降低50％）

一般截止频率为fc=12πRCf_c=\frac {1}{2\pi RC}fc=2πRC1。

更加具体的内容可以点击这里通过ADI的中文科普了解，比如理论计算、二阶RC等等。在此特别感谢ADI的资料~真的特别喜欢ADI这家公司

2、π型RC滤波器

RC滤波一般用在电流小要求不高的电路中，因为电阻要消耗一部分直流电压，R不能取得很大。

典型电路如下图所示：

电路中的C1、C2是两只滤波电容，R1是滤波电阻，C1、R1和C2构成一阶π型RC滤波电路。

从IN输入端进入的电压首先经过C1的滤波，将大部分的交流成分滤除，再加到由R1和C2构成的滤波电路中，电容C2进一步对交流成分进行滤波，有少量的交流电流通过C2到达地平面。

此处加大C1、C2的容量可以获得更好的滤波效果。由RC滤波器我们可以知道如果C2容量不变，加大R1也可以获得更好的滤波效果，但是R1会造成压降，所以不宜太大。

3、LC滤波器

下图是LC滤波器的电路图：

其中LC滤波器还有一个谐振频率，它和截止频率一样是fc=12πLCf_c=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}fc=2πLC1。

值得注意的是：我在MULTISIM仿真中发现他在截止频率的时候，其实不是-3dB，刚好在拐点这里。

根据查阅的相关资料说明：

LC低通滤波器的截止频率没有以0.707倍定义，而是直接使用了谐振频率点。

有待以后验证。

4、π型LC滤波器

分析思路基本上与π型RC滤波器差不多，在此不做赘述。

5、实际应用

在单车项目中我用了TI公司的TPS5430芯片，这个应该是我目前以来用过最顺手的芯片了，可以以较少的外围电路完成5V3A的输出，现在我需要对他进行一次后级滤波来减少纹波的干扰。图中红框部分是π型LC滤波器。

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根据datasheet可知，开关管的频率是固定的500KHz，所以会引入的纹波噪声频率也为500K左右。

通过示波器也可以看出频率大约在500KHz，幅度Vp−p=20mVV_{p-p}=20mVVp−p=20mV。

这里示波器读出来的频率明显不准确，主要是纹波上叠加的高频噪声太多了，此时频率计算应该是f=12div∗1us=500Khzf=\frac{1}{2div*1us}=500Khzf=2div∗1us1=500Khz

我们再通过第三节介绍的LC滤波器中截止频率的公式，我在这里可以设计的π型LC滤波的参数为10uF，100nH，1uF。

可以看到纹波明显变小了（此处一格为2mV），此时峰峰值为Vp−p=4mVV_{p-p}=4mVVp−p=4mV，

此时，我们再次减少滤波电路的截止频率，使用10uF，33uH，22uF的参数，可以看到

基本上只剩下高频毛刺信号了。