電源濾波技術

摘要 良好的電源濾波技術是電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的保證。文中介紹了電源濾波中常用的RC濾波器和LC濾波器，以及兩種濾波器的使用方式、設計方法和濾波器件選用方法。對實現(xiàn)完好的電路設計有益。
關鍵詞 電源濾波；RC濾波器；LC濾波器；截止頻率

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(jīng)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(nèi)阻，交流信號流過內(nèi)阻會在內(nèi)阻上產(chǎn)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。
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(nèi)阻R0，VT2管集電極信號電流流過R0時產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)阻的耦合形成相互間的影響是產(chǎn)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。

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岡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(zhì)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。