電源濾波技術(shù)

摘要 良好的電源濾波技術(shù)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(shè)計(jì)方法和濾波器件選用方法。對(duì)實(shí)現(xiàn)完好的電路設(shè)計(jì)有益。
關(guān)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(lái)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(lèi)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(shí)際上直流電源存在內(nèi)阻，交流信號(hào)流過(guò)內(nèi)阻會(huì)在內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，這個(gè)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(jí)放大電路，假設(shè)電路中沒(méi)有濾波電容C2，并假設(shè)某瞬間在VT1管基極上信號(hào)電壓Ui在增大，設(shè)定為“+”。由于共發(fā)射極放大器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相反，這樣VT1管集電極上的信號(hào)電壓相位為“-”，VT2管基電極信號(hào)電壓相位為“-”(耦合電容C3不移相位)，VT2集電極的信號(hào)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(hào)電流流過(guò)R0時(shí)產(chǎn)生了信號(hào)壓降，即電路中的B點(diǎn)有信號(hào)電壓，且相位為“+”。電路中B點(diǎn)的這一信號(hào)經(jīng)R4加到A點(diǎn)，A點(diǎn)信號(hào)電壓相位也為“+”，通過(guò)R1加載到VT1管基電極自激，產(chǎn)生振蕩，這便是多級(jí)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(gòu)成濾波器，電路中A點(diǎn)的信號(hào)被C2旁路到地端，而不能通過(guò)電阻R1加到VT1管基極，這樣多級(jí)放大電路中不能產(chǎn)生正反饋，也就沒(méi)有級(jí)間的交鏈現(xiàn)象，達(dá)到了消除級(jí)間有害交鏈的目的。而且電容C4對(duì)直流工作電壓還有濾波作用。電阻R4的作用是進(jìn)一步提高濾波效果，因?yàn)殡娐分蠦點(diǎn)的信號(hào)電壓被R4和C2構(gòu)成的低通濾波器衰減，比不加入R4時(shí)A點(diǎn)的信號(hào)電壓還要小，所以濾波效果更好。R4除具有加強(qiáng)濾波的作用外，還為前級(jí)放大電路提供直流工作電壓，直流電流流過(guò)R4后在其上有壓降，這樣降低了前級(jí)電路的直流工作電壓，這對(duì)減小噪聲很有幫助。
在多級(jí)放大電路中，至少每?jī)杉?jí)共發(fā)射極電路要設(shè)一節(jié)濾波電路，因?yàn)槊恳患?jí)共發(fā)射極放大器對(duì)信號(hào)電壓反相一次，兩級(jí)放大電路反相兩次后信號(hào)電壓的相位又成為同相，這就容易產(chǎn)生級(jí)間正反饋而出現(xiàn)自激。所以，級(jí)數(shù)較多的放大器中要設(shè)有多節(jié)濾波電路。
同樣在由運(yùn)放構(gòu)成的多級(jí)放大電路中，各級(jí)間通過(guò)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(duì)于多級(jí)放大器，除了在電源進(jìn)線端加裝去耦濾波電容之外，還應(yīng)在各級(jí)放大器間加RC濾波器。如圖2所示為在一具有3級(jí)放大器中加接RC濾波器的情況。圖中電源進(jìn)線端去耦由一個(gè)大容量的電解電容C2和一個(gè)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(jìn)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(duì)于高增益放大器(增益>60 dB)，增設(shè)這種級(jí)間去耦濾波電路十分有效，否則極易形成自激振蕩。

對(duì)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(shè)計(jì)的電源就岡電容離輸出端的管腳遠(yuǎn)而發(fā)生過(guò)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(jì)算如式(1)所示。電阻的大小還要考慮電源壓降，應(yīng)不影響電路的直流工作點(diǎn)，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(gè)小容量電容。因?yàn)殡娊怆娙菔且环N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(gè)純電容C0和一個(gè)純電感L0的串聯(lián)。當(dāng)頻率較高時(shí)C0的容抗減小，但L0的感抗增大，結(jié)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(gòu)成，鋁箔是導(dǎo)體，為減小電解電容的體積而將鋁箔卷起來(lái)。由電感結(jié)構(gòu)可知，將一個(gè)導(dǎo)體卷起來(lái)會(huì)出現(xiàn)電感。由于大容量電解電容器容量大，鋁箔更長(zhǎng)，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(jiàn)，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(jià)格便宜，因此應(yīng)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(dòng)恢復(fù)其絕緣性，這就是所謂的“自愈”性。