一文讀懂：高頻濾波器的結(jié)構(gòu)、原理、高頻性能以及應(yīng)用設(shè)計(jì)

濾波器的高頻性能

ESD濾波器要取得良好的使用效果，需要滿足以下幾個(gè)方面的性能要求：一是對(duì)正常工作信號(hào)的影響要小，信號(hào)的衰減和畸變??；二是高頻濾波性能要好，在幾百兆赫時(shí)還能有效濾波；三是具有一定的功率容量來(lái)吸收脈沖能量。

圖4 實(shí)際電感器的寄生參數(shù)及其高頻模型

實(shí)際濾波器中使用的電感器、電容器都具有微小的非理想的寄生參數(shù)。這些參數(shù)在低頻時(shí)，因數(shù)值小而對(duì)濾波器的性能影響不明顯，但當(dāng)頻率在幾兆赫以上時(shí)，就會(huì)惡化濾波器的高頻濾波性能，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理想濾波器狀態(tài)。圖4（a）、（b）所示分別為實(shí)際電感器的寄生參數(shù)及其高頻模型。電感器通常由線圈和磁心兩部分組成。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，線圈不同的線匝間會(huì)存在電壓差，分布著電力線，該效應(yīng)對(duì)外可等效為并聯(lián)的電容EPC。因此，一個(gè)實(shí)際的電感器實(shí)質(zhì)上是電感和電容的并聯(lián)體。圖4（c）所示為理想電感器和實(shí)際電感器的對(duì)數(shù)阻抗特性曲線，可見當(dāng)頻率超過(guò)電感和寄生電容并聯(lián)的諧振點(diǎn)后，電感器對(duì)外呈現(xiàn)容性，即已不再是電感。寄生電容越大，諧振頻率也越低，高頻阻抗也越低。實(shí)際的電容器也類似地存在著寄生參數(shù)。通常，電容器的引線引腳、內(nèi)部電極也不完全是理想平板分布，這些金屬引線和彎曲的電極也存在微小的寄生電感ESL，因此一個(gè)實(shí)際的電容器實(shí)質(zhì)上是電容和電感的串聯(lián)體。圖5（a）、（b）所示分別為實(shí)際電容器的外部結(jié)構(gòu)及其高頻模型。圖5（c）所示為理想電容器和實(shí)際電容器的對(duì)數(shù)阻抗特性曲線，可見當(dāng)頻率超過(guò)電容和寄生電感串聯(lián)諧振點(diǎn)后，電容器對(duì)外呈現(xiàn)感性，即已不再是電容。由此也可推知，如不能很好地控制寄生參數(shù)，則由電感器、電容器構(gòu)成的LC低通濾波器在高頻時(shí)就變成了高通濾波器，對(duì)ESD、EFT等尖峰脈沖就不能起到預(yù)期的衰減作用。

圖5 實(shí)際電容器的寄生參數(shù)及其高頻模型

對(duì)電容器來(lái)講，一般通過(guò)使用無(wú)引腳的表面貼電容，選用低ESL的電容器件，安裝時(shí)盡可能減短引腳長(zhǎng)度等措施，可以保證電容器的高頻性能。而對(duì)于電感器，要消除EPC則相對(duì)困難一些。設(shè)計(jì)者可通過(guò)選用低EPC電感器、分槽繞線或交錯(cuò)繞線等工藝來(lái)降低EPC。通常，電感阻抗對(duì)正常信號(hào)也常有影響，故在實(shí)踐中，對(duì)于ESD、EFT等高頻尖脈沖的抑制，還可以通過(guò)使用特殊材質(zhì)的磁心電感器來(lái)進(jìn)行。

圖6 磁珠的磁導(dǎo)率-頻率關(guān)系曲線

較理想的抗ESD用磁心材料應(yīng)具有良好的高頻磁導(dǎo)率，同時(shí)低頻的磁導(dǎo)率不要太高，以起到低頻通過(guò)、高頻阻礙的作用。鐵-鎂合金或鐵-鎳合金的鐵氧體材料就具有這樣的特性，其制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色，通常制作成磁環(huán)或磁珠的形式（磁珠結(jié)構(gòu)可參考圖3中間的器件）。圖6所示為磁珠典型的磁導(dǎo)率-頻率關(guān)系曲線。圖中的磁導(dǎo)率μ為復(fù)數(shù)，其中實(shí)部的磁導(dǎo)率μ′最終構(gòu)成電感，虛部的磁導(dǎo)率μ″代表磁損耗，最終構(gòu)成電阻。并且μ′隨頻率增加而迅速下降，μ″隨頻率增加而迅速增加。使用這種磁心做電感器時(shí)，導(dǎo)線通常僅有1～2匝，因而寄生電容很小。這種電感器的等效電路如圖7所示，其由電感L和電阻R串聯(lián)組成，只不過(guò)L和R都是頻率的函數(shù)。磁珠電感的阻抗在整體上是隨著頻率的升高而增大的，并且在高頻也保持著較大數(shù)值，如圖8中Z-f曲線所示。但在不同頻率時(shí)，其阻抗的組成是不同的。頻率低時(shí)，阻抗主要由電感L（ω）構(gòu)成，這時(shí)R（ω）很??；高頻時(shí)，阻抗的感抗部分會(huì)因磁心的磁導(dǎo)率降低而減小，但是這時(shí)磁心的損耗增加，電阻R（ω）成分增加，并使磁珠總阻抗增加，此時(shí)，當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)成熱能形式而耗散掉。

圖7 磁珠電感的等效電路

圖8 磁珠阻抗-頻率曲線

因此，磁珠適用于吸收ESD等高頻干擾，且磁珠長(zhǎng)度越長(zhǎng)抑制效果越好。除前述鐵氧體磁珠材料外，目前非晶材料的磁珠也有良好的高頻抑制效果。