低通滤波器,为什么不用一个电感和一个电阻并联来实现,而是用RC电路.
baby仅是配角83
个人理解,电感制作工艺比较复杂,微型电感器要达到足够的电感量和品质因数比较困难,而电容工艺简单成本低性能稳定而且可以做到很小,所以大家都用电容.不对请指正
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绝对经典的低通滤波器设计报告
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&&介​绍​经​典​R​C​低​通​滤​波​,​及​各​种​测​试​及​仿​真​!
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你可能喜欢滤波电路的基础知识
滤波电路的应用
滤波电路图
滤波电路概述
　　滤波常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载两端C，或与负载串联器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
　　交流电经过整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电经过整流后的电压虽然没有交流变化成分,但其脉动较大,需要经过滤波电路消除其脉动成分,使其更接近于直流.
　　滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的. 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
　　滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。
滤波电路的分类
&&& 滤波的分类:(按工作频率的不同)
&&& 低通:允许低频率的信号通过,将高频信号衰减.
&&& 滤波器:允许高频信号通过,将低频信号衰减.
&&& :允许一定频带范围内的信号通过,将此频带外的信号衰减.
&&& 带阻滤波器:阻止某一频带范围内的信号通过,而允许此频带以外的信号衰减.
滤波电路原理分析
&&& 波的基本概念
&&& 滤波是信号处理中的一个重要概念.滤波分经典滤波和现代滤波.
&&& 经典滤波的概念,是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念.根据高等数学理论,任何一个满足一定条件的信号,都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成.换句话说,就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的,组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分.只允许一定频率范围内的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的,叫做经典或滤波电路.
&&& 实际上,任何一个系统都具有自己的频带宽度(对信号最高频率的限制),频率特性反映出了电子系统的这个基本特点.而滤波器,则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路.
&&& 用模拟电子电路对模拟信号进行滤波,其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择.根据频率滤波时,是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号,通过选择不同的频率成分来实现信号滤波.
&&& 当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做滤波器.
&&& 当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做.
&&& 当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做.
&&& 理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述,也叫做滤波器电路的幅频特性.理想滤波器的幅频特性如图所示.图中,w1和w2叫做滤波器的截止频率.
&&& 滤波器频率响应特性的幅频特性图
&&& 对于滤波器,增益幅度不为零的频率范围叫做通频带,简称通带,增益幅度为零的频率范围叫做阻带.例如对于LP,从-w1当w1之间,叫做LP的通带,其他频率部分叫做阻带.通带所表示的是能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率成分,阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分.通带内信号所获得的增益,叫做通带增益,阻带中信号所得到的衰减,叫做阻带衰减.在工程实际中,一般使用dB作为滤波器的幅度增益单位.
&&& 低通滤波器
&&& 低通滤波器的基本电路特点是,只允许低于截止频率的信号通过.
&&& (1)一阶低通Butterworth滤波电路
&&& 下图a和b是用设计的两种一阶Butterworth滤波电路的电路.图a是反相输入一阶低通滤波器,实际上就是一个积分电路,其分析方法与一阶积分电路相同.
&&& 基本滤波电路&&&&& 演示
&&& 图b是同相输入的一阶低通滤波器.根据给定的电路图可以得到
&&& 对滤波器来说,更关心的是正弦稳态是的行为特性,利用拉氏变换与富氏变换的关系,有
&&& 下图是上式RC=2时的幅频特性和相频特性波特图.
&&& RC=2时一阶Butterworth低通滤波器的频率响应特性
&&& (2)二阶低通Butterworth滤波电路
&&& 下 图是用运算设计的二阶低通Butterworth滤波电路.
&&& 二阶Butterworth低通滤波电路
&&& 直接采用频域分析方法得到
&&& 其中k = 1+R1/R2 .令Q=1/(3-k),w0=1/RC,则可以写成
&&& 其中k相当于的电压放大倍数,叫做滤波器的通带增益,Q叫做品质因数,w0叫做特征角频率.
&&& 下图是二阶低通滤波器在RC=2时的波特图,其中图a是Q&0.707时的效果,图b是Q=0.707时的效果,图c是Q&0.707时的效果.
&&& (a) Q&0.707
&&& (b) Q=0.707
&&& (c)Q&0.707
&&& 二阶低通滤波器在RC=2时的波特图
&&& 从图中可以看出,当Q&0.707 或Q&0.707时,通带边沿处会出现比较大的不平坦现象.因此,品质明了滤波器通带的状态.一般要求Q=0.707.
&&& 由此可以得到
&&& 这就是二阶Butterworth滤波器电压增益得计算0.707公式.令Q=0.707,得
&&& 0.414R2 = 0.707R1
&&& 通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率,这时滤波器具有3dB的衰减.利用滤波器幅频特性的概念,可以得到截止频率w0 =w& =1/RC,即
&&& f =1/2pRC
&&& 高通滤波器的特点是,只允许高于截止频率的信号通过.下图是二阶Butterworth高通滤波器电路的理想物理模型.
&&& 直接采用频域分析方法,并令k = 1+R1/R2 ,Q =1/(3-k),w0=1/RC,则可以得到二阶Butterworth高通滤波电路的传递函数为
&&& 二阶Butterworth高通滤波电路& 演示
&&& 高通滤波器
&&& 考虑正弦稳态条件下,s=jw,得
&&& 二阶utterworth高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似,当Q&0.707或Q&0.707时,通带边沿处会出现不平坦现象.有关根据品质因数Q计算电路参数R1 和R2的方法与二阶低通滤波器的计算相同.
&&& 同样,利用滤波器幅频特性的概念,可以得到截止频率w0 =w& =1/RC,即& f =1/2pRC
滤波电路设计
&&& 交流电经过整流之后,方向单一了,但是大小(电流强度)还是处在不断地变化之中.这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的.要把脉动直流变成波形平滑的直流,还需要再做一番"填平取齐"的工作,这便是滤波.换句话说,滤波的任务,就是把输出电压中的波动成分尽可能地减小,改造成接近恒稳的直流电.
&&& 电容滤波
&&& 是一个储存电能的仓库.在中,当有电压加到电容器两端的时候,便对电容器充电,把电能储存在电容器中;当外加电压失去(或降低)之后,电容器将把储存的电能再放出来.充电的时候,电容器两端的电压逐渐升高,直到接近充电电压;放电的时候,电容器两端的电压逐渐降低,直到完全消失.电容器的容量越大,负载值越大,充电和放电所需要的时间越长.这种电容带两端电压不能突变的特性,正好可以用来承担滤波的任务.
&&& 图5-9是最简单的电容滤波电路,电容器与并联,接在整流器后面,下面以图5-9(a)所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程.在二极管导通期间,e2 向负载电阻Rfz 提供电流的同时,向电容器C充电,一直充到最大值.e2 达到最大值以后逐渐下降;而电容器两端电压不能突然变化,仍然保持较高电压.这时,D 受反向电压,不能导通,于是Uc便通过负载电阻Rfz 放电.由于C和Rfz 较大,放电速度很慢,在e2 下降期间里,电容器C上的电压降得不多.当e2 下一个周期来到并升高到大于Uc时,又再次对电容器充电.如此重复,电容器C两端(即负载电阻Rfz :两端)便保持了一个较平稳的电压,在波形图上呈现出比较平滑的波形.图5-10(a)(b)中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形.
&&& 显然,电容量越大,滤波效果越好,输出波形越趋于平滑,输出电压也越高.但是,电容量达到一定值以后,再加量对提高滤波效果已无明显作用.通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量.表5-2 中所列器容量和输出电流的关系,可供参考. 电容器的耐压值一般取 的1.5倍.
&&& 表5-3中列出带有的整流电路中各电压的关系. 表一
&&& 采用电容滤波的整流电路,输出电压随时出电流变化较大,这对于变化负载(如乙类推挽电路)来说是很不利的.
&&& 二、滤波
&&& 利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点,可以用带铁芯的做成滤波器.电磁滤波输出电压较低,相输出电压波动小,随负载变化也很小,适用于负载电流较大的场合.
&&& 三、复式滤波器.
&&& 把电容按在负载并联支路,把电感或电阻接在串联支路,可以组成复式滤波器,达到更佳的滤波效果口这种电路的形状很象字母π,所以又叫π型滤波器.
电容滤波电路，电感滤波电路作用原理
&&& 整流的输出电压不是纯粹的直流,从观察整流电路的输出,与直流相差很大,波形中含有较大的脉动成分,称为纹波.为获得比较理想的直流电压,需要利用具有储能作用的电抗性元件(如电容、)组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压.
&&& 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类.无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等).有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作.直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差.
&&& 脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量
&&& 半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67.对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1).(T为整流输出的直流脉动电压的周期.)
&&& 滤波电路
&&& RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的.如图1(B)RC滤波电路.若用S表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R)S.
&&& 由分析可知,电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端,最后由C2再旁路掉.在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好.而R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增大的体积和重量,实现起来也不现实.这种电路一般用于负载电流比较小的场合.
&&& 电感滤波电路
&&& 根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同,由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示.因为电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C并联在负载两端.L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联.
&&& (A)电容滤波&&&&&&&&&&&&&&&
&& (B)&& C-R-C或RC-π型电阻滤波 脉动系数S=(1/ωC2R')S'
&&& (C)&& L-C电感滤波&&&&&&&&&&&
&&(D) π型滤波或叫C-L-C滤波
&&& 图1 无源滤波电路的基本形式
&&& 并联的电容器C在输入电压升高时,给电容器充电,可把部分能量存储在电容器中.而当输入电压降低时,电容两端电压以指数规律放电,就可以把存储的能量释放出来.经过滤波电路向负载放电,负载上得到的输出电压就比较平滑,起到了平波作用.若采用电感滤波,当输入电压增高时,与负载串联的电感L中的电流增加,因此电感L将存储部分磁场能量,当电流减小时,又将能量释放出来,使负载电流变得平滑,因此,电感L也有平波作用.
&&& 利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点,在整流电路的负载回路中串联一个电感,使输出电流波形较为平滑.因为电感对直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小.电感滤波缺点是体积大,成本高.
&&& 桥式整流电感滤波电路如图2所示.电感滤波的波形图如图2所示.根据电感的特点,当输出电流发生变化时,L中将感应出一个反电势,使整流管的导电角增大,其方向将阻止电流发生变化.
&&& 图2电感滤波电路
&&& 在桥式整流电路中,当u2正半周时,D1、D3导电,电感中的电流将滞后u2不到90°.当u2超过90°后开始下降,电感上的反电势有助于D1、D3继续导电.当u2处于负半周时,D2、D4导电,副边电压全部加到D1、D3两端,致使D1、D3反偏而截止,此时,电感中的电流将经由D2、D4提供.由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性,四个D1、D3;D2、D4的导电角θ都是180°,这一点与电容滤波电路不同.
&&& 图3电感滤波电路波形图
&&& 已知桥式整流电路二极管的导通角是180°,整流输出电压是半个半个正弦波,其平均值约为 .电感滤波电路,二极管的导通角也是180°,当忽略电感器L的电阻时,负载上输出的电压平均值也是 .如果考虑的直流电阻R,则电感滤波电路输出的电压平均值为
&&& 要注意电感滤波电路的电流必须要足够大,即RL不能太大,应满足wL&&RL,此时IO(AV)可用下式计算
&&& 由于电感的直流电阻小,交流阻抗很大,因此直流分量经过电感后的损失很小,但是对于交流分量,在wL和 上分压后,很大一部分交流分量降落在电感上,因而降低了输出电压中的脉动成分.电感L愈大,RL愈小,则滤波效果愈好,所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合.采用电感滤波以后,延长了整流管的导电角,从而避免了过大的冲击电流.
&&& 电容滤波原理详解
&&& 1.空载时的情况
&&& 当电路采用电容滤波,输出端空载,如图4(a)所示,设初始时电容电压uC为零.接入后,当u2在正半周时,通过D1、D3向电容器C充电;当在u2的负半周时,通过D2、D4向电容器C充电,充电时间常数为
&&&&&&&&&& (a)电路图&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(b)波形图
&&& 图4 空载时桥式整流电容滤波电路
&&& 式中 包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻.由于 一般很小,电容器很快就充到交流电压u2的最大值 ,如波形图2(b) 的时刻.此后,u2开始下降,由于电路输出端没接负载,电容器没有放电回路,所以电容电压值uC不变,此时,uC&u2,二极管两端承受反向电压,处于截止状态,电路的输出电压,电路输出维持一个恒定值.实际上电路总要带一定的负载,有负载的情况如下.
&&& 2.带载时的情况
&&& 图5给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况.接通后,二极管导通,整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形.在 时刻,即达到u2 90°峰值时,u2开始以正弦规律下降,此时二极管是否关断,取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压.
&&& 先设达到90°后,二极管关断,那么只有滤波电容以指数规律向负载放电,从而维持一定的负载电流.但是90°后指数规律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压,二极管导通.随着u2的下降,正弦波的下降速率越来越快,uC 的下降速率越来越慢.所以在超过90°后的某一点,例如图5(b)中的t2时刻,二极管开始承受反向电压,二极管关断.此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流,直至下一个半周的正弦波来到,u2再次超过uC,如图5(b)中的t3时刻,二极管重又导电.
&&& 以上过程电容器的放电时间常数为
&&& 电容滤波一般负载电流较小,可以满足td较大的条件,所以输出电压波形的放电段比较平缓,纹波较小,输出脉动系数S小,输出平均电压UO(AV)大,具有较好的滤波特性.
&&&&&&&&&&& (a)电路图&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (b)波形图
&&& 图5带载时桥式整流滤波电路
&&& 以上滤波电路都有一个共性,那就是需要很大的电容容量才能满足要求,这样一来大容量电容在加电瞬间很有很大的短路电流,这个电流对,变压器冲击很大,所以现在一般的做法是在整流前加一的 功率型NTC来维持平衡,因在常温下电阻很大,加电后随着温度升高,电阻阻值迅速减小,这个电路叫软起动电路.这种电路缺点是:断电后,在热时间常数内, NTC热敏电阻没有恢复到零值,所以不宜频繁的开启.
&&& 为什么整流后加上滤波电容在不带负载时电压为何升高?这是因为加上滤波测得的电压是含有脉动成分的峰值电压,加上负载后就是平均值,计算:峰值电压=1.414×理论输出电压
&&& 有源滤波-电子电路滤波
&&& 电阻滤波本身有很多矛盾,电感滤波成本又高,故一般线路常采用有源滤波电路,电路如图6.它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件T组成的射极输出器连接而成的电路.由图6可知,流过R的电流IR=IE/(1+β)=IRL/(1+β).流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减.
&&& 从RL两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍.这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF,如采用电子滤波器,那么电容只需要20μF就满足要求了.采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中.
通信电源电子滤波电路分析
&&& 通信设备一般都需要供电.直流由电源、整流、滤波电路和稳压电路等四部分组成.直流将220 V交流电降压,变换为所需要的电压值;整流电路通过整流将交流电压转换为直流电压;直流电源滤波电路通过低通滤波电路将交流分量滤出,使输出电压平滑;稳压电路使输出电压不受电网电压的波动、负载和温度变化的影响,提高输出电压的稳定性.
&&& 常用的直流电源滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类.无源滤波的主要形式有电容滤波、滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等).有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作.
&&& 直流电源中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差.
&&& 脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量
&&& 半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67.对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1).(T为整流输出的直流脉动电压的周期.)
&&& RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的.如图1虚线框即为加的一级RC滤波电路.若用S表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R)S.
&&& 由分析可知,在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好.而R值增大时,上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增大的体积和重量,实现起来也不现实.
&&& 为了解决这个矛盾,于是常常采用直流电源有源滤波电路,也被称作直流电源电子滤波器.电路如图2.它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件--T组成的射极输出器连接而成的电路.由图2可知,流过R的电流=IE/(1+β)=IRL/(1+β).流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减.
&&& 从RL两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍.这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为μF,如采用电子滤波器,那么直流电源电容只需要20μF就满足要求了.采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的直流电源之中.
直流电源滤波电路及电子滤波器原理分析
&&& 整流是将交流电变成直流电的一种电路,但其输出的直流电的脉动成分较大,而一般设备所需的脉动系数要求小于0.01.故整流输出的电压必须采取一定的措施.尽量降低输出电压中的脉动成分,同时要尽量保存输出电压中的直流成分,使输出电压接近于较理想的直流电,这样的电路就是直流中的滤波电路.
&&& 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类.无源滤波的主要形式有电容滤波、滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等).有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作电子.
&&& 直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差.
&&& 脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量
&&& 半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67.对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1).(T为整流输出的直流脉动电压的周期.)
&&& RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的.如图1虚线 框即为加的一级RC滤波电路.若用S'表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R')S'.
&&& 由分析可知,在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好.而R值增大时,上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增大的体积和重量,实现起来也不现实.
&&& 为了解决这个矛盾,于是常常采用有源滤波电路,也被称作电子滤波器.电路如图2.它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件--T组成的射极输出器连接而成的电路.由图2可知,流过R的电流=IE/(1+β)=IRL/(1+β).流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减.
&&& 从RL两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍.这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为μF,如采用电子滤波器,那么电容只需要20μF就满足要求了.采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中.
某伺服PWM驱动系统中低通功率滤波电路优化设计
&&& 摘 要:是的重要组成部分.其中,PWM是通过低通功率滤波连接直流力矩电动机,该滤波电路的性能对整个系统能否正常工作起着非常关键的作用.基于某伺服PWM驱动系统,使用Excel宏编写的功率设计软件,分析并构建了相应的巴特沃斯分割低通功率滤波电路,通过使用Multisim电路仿真软件的方式分析和验证了该优化设计的有效性与可行性.
&&& 关键词:PWM;SA03;低通功率滤波电路;功率设计软件;MuItisim
&&& 某伺服系统根据其应用需求,采用SA03作为功率.要求其在0～10 V的控制信号作用下,能够驱动25 V,20 A的直流电动机负载.因此滤波电路的稳定与效率对伺服系统的性能有着直接影响.SA03是高度集成的PWM功率放大器件,若作为PWM驱动系统必须设计相应的滤波电路.滤波电路的优化设计要充分考虑到SA03的技术特点和该伺服系统的应用环境.
&&& 1 PWM系统的拓扑结构
&&& 如图1所示,PWM(脉冲宽度调制)放大器是一个复杂的系统,系统的核心是高度非线性调制和解调,它包含了极点和零点以及高次谐波和次谐波选择的问题.低通功率滤波电路在系统中主要起两个作用.
&&& (1)对PWM输出信号进行调制,首先PWM模块将输入信号转换成对时间进行调制而幅度等于电压的脉冲信号,PWM模块内的全桥放大器一般都利用反相锁存调制,当一个输出为高,另一个输出总是低.假如50%占空比,则意味着频率的每个周期内高和低的时间相等,脉冲信号必须通过低通功率滤波电路解调后,才能到达负载端其信号值为零.
&&& (2)低通功率滤波电路抑制通过时间调制的方波载波信号,在滤波电路的输出端上可以得到远低于PWM开关频率的负载载波信号,事实上占空比不断变化的PWM信号参杂了很多高频毛刺成分,会严重干扰反馈电路的参数,同时过高的载波频率可能会损坏负载本身.
&&& 2 PWM低通功率滤波电路的拓扑结构
&&& 2.1 低通功率滤波电路的结构选择
&&& PWM滤波电路通常是一个低通.不同类型的都有各自的优缺点,因此一般采用折衷的原则设计最佳的滤波器.主要特点是:通频带的平坦度、衰减率,相对于频率的相位移,常见的有巴特沃斯、切比雪夫及贝塞耳滤波器.相比之下,巴特沃斯滤波器在通频带上有一个很好的平滑的响应曲线,而且在截止频率以外有很好的衰减率,元件的变化对性能没有很大的影响,因此它是一个性能比较好而且常用的滤波器,所以在设计中采用巴特沃斯滤波器.
&&& 以往关于滤波电路的设计,由于计算量大,过程复杂,往往既繁琐又费时,还很可能得到一些不常见、不容易得到的器件结果.由于该系统采用的SA03作为脉冲宽度调制放大器,因此在设计中采用功率设计软件以减少工作量,提高效率. Design是一个基于Microsoft Office Excel表格软件,该软件被广泛应用到此设计中.
&&& 2.2 低通功率滤波电路的参数设定
&&& 如图2所示,该PWM(SA03)驱动的负载为一个电动机,根据应用要求在功率设计软件中,输入相应的数据,该电动机电枢可等效为(Rload)7 Ω和电感(Lload)100μH相串联的负载网络;驱动负载信号最大电压为25 VSA03电源电压(Vs)可通过软件中的PWM 表格分析设置合适的值,为28.5 V;由于SA03开关频率Fsw为22.5 kHz,根据采样定理,开关频率与截止频率保持10分频,而信号频率和截止频率保持2分频;DC的频率一般可以认为是10 Hz,所以最小信号频率Fmin设置为O.01 kHz,最大信号频率Fmax设置为1 kHz,这两个信号频率的设定同时也决定着随后频率扫描的范围值,截止频率Futoff设置为2 kHz;在开关频率上的纹波峰值电压Vripple为0.05 V.
&&& 如图3所示,功率设计软件自动计算在开关频率下最大纹波和电源电压比值,并转换成dB衰减比,然后根据开关频率和截止频率的数值,计算出滤波电路级数的推荐值,并采取四舍五入的方法求整N(recommended).紧接着计算匹配网络(Matching Network)的相关数值,目的是使滤波电路输出端原来的电抗性负载现转换为阻性负载.图3提供了3种滤波电路拓扑结构的参数值,分别是双电容滤波电路拓扑结构、单端接地滤波电路拓扑结构和分割电感滤波电路拓扑结构.如图4所示,该设计采用的是分割电感滤波电路拓扑结构.
&&& 如图5所示,由于实际所使用的电容类型不同可以导致寄生参数有所不同,可能会影响到滤波电路的输出响应,所以必须根据实际使用的电容类型,设置相应精确的寄生参数值,图5中寄生参数值采用的是默认塑料电容参考值.
&&& 3 PWM功率滤波电路性能分析
&&& 当所有PWM功率滤波电路参数设置合理后,软件根据先前所设置的信号频率范围进行频率扫描,其结果可提供进一步的性能分析.
&&& 如图6所示,图6(a)是Fmax设置为1 kHz的频率扫描图像,该滤波大约在0.72 kHz处出现尖峰,这是由于设置了匹配网络而造成的,若取消匹配网络则峰值消失,但滤波电路的终端需为纯阻性负载,否则滤波电路的输出响应不再是常数.图 6(b)是当Fmax重新设置为1.5 kHz的频率扫描图像.图6(c)是l.5 kHz取消匹配网络的滤波衰减波特图,此时虽无峰值,然而由于负载呈电抗性,1 kHz的衰减值已不是常数.
&&& 如图7所示,以交流方式分析总体效率与频率关系,效率即输出有效功率与输入有效功率之比,在扫描频率段内效率仅2%的变化,大部分频带内仍有86.7%以上的效率.其中60 Hz左右的效率骤降是由于直流峰值功率向交流有效值功率的瞬态改变而引起的数学计算差.
&&& 如图8所示,随着频率增加,负载上的视在功率增加的比例不大,通过其他图表的研究,发现增加是由于负载上的电流和电压随着频率有所增加,如果对最终输出有很大影响的话,可以在电路中设置一个简单的可调增益来补偿该点.
&&& 如图9所示,软件可以通过频率扫描分析计算各元件的应力值,图中显示了C1的3个峰值电压,电容上的压差是24.77pk,接地电容的峰值电压是26. 64 V和1.86 V.在这个设计中C1无需双极性电容,但在某些设计中,峰值可能会出现负值,此时必须使用双极性电容.
&&& 如图10所示,滤波电路会带来相位移.当反馈信号直接从PWM放大器的输出端采样时这常不是问题,然而在该伺服平台设计中,反馈从滤波电路后面取,会引入相位移,影响系统的相角裕度,图10显示了负载中电压和电流的相位移,如果对最终输出有很大影响的话,可以增加Fmax和Fcutoff的分频比例,相位移将会减小,除此之外减小滤波电路的级数也会减小相位移.
&&& 4 Multisim环境下的SPICE仿真
&&& 如图11所示,根据功率设计软件中的低通功率滤波电路元件参数值,在NI公司的MuItisim 10的环境下构建其相应的电路模型.
&&& 通过功率设计软件和电路仿真软件,从图12和图13可以清晰地发现,在截至频率2 kHz处,未加寄生参数值的电路模型比加入默认塑料电容寄生参数值的电路模型有O.5 dB的误差值.这也充分表明了功率设计软件所使用Excel宏仿真分析与NI公司的Multisim环境下的Spice模型仿真分析,它们具有共性可互为依托.
&&& 若用于工业成品的仿真设计,势必要根据元件手册中的真实值,并通过选用合理的模型结构,同时要加入准确的寄生参数,否则可能导致最终设计结果与仿真结果有所出入.
&&& 5 结 语
&&& 实际上由于脉冲宽度调制放大系统中的低通功率滤波电路对频率的敏感性,导致必须要反复进行修改,同时有目的根据折中原则更改一些电路参数,以提高低通功率滤波电路的部分性能,此外要根据实物类型设置合理并准确的寄生参数,以最终到达优化设计的目的.
为滤波电路选择合适的运算放大器
&&& 几乎所有中都有模拟.音响系统用它来进行前置放大和信号均衡.通讯系统利用滤波器对特定频率进行调频并排除其它频率.但在模拟信号被数字化后,常用来避免来自频带以外的噪声和干扰产生的混叠误差.
&&& 模拟滤波电路可滤除叠加在模拟信号上的高频噪声,使其无法进入模数.特别是低电平噪声和外部噪声尖峰也在滤除之列.任何进入的信号均被转换为数字值.如果信号频率超过转换器采样频率的一半,信号幅值能够得到可靠转换,但频率在混叠到数字输出时被改变.信号被转换成数字值后,可以使用数字滤波器降低噪声,但记住一句经验之谈:"进来的是废物,出去时只会是废物".
&&& 当您翻开一本(运放)的数据手册看到大量参数说明时,为有源低通滤波器电路选择合适的运放显得让人无从入手.比如,在的5MHz单运放MCP/4的数据手册中所列出的直流/交流电气参数有24个.而实际情况是,当您为有源低通滤波电路选择运放时,最初只需考虑两个重要参数.根据这两个参数选择好了之后,再考虑另外两个参数,然后就可以做出最终决定了.图1和图2为二阶有源低通滤波器的最常见拓扑结构.
&&& 图1中,非反相Sallen-Key滤波器设计为输入信号不反相.通过R3和R4可以选择增益值.如果您想得到+1V/V的直流增益,则应将R3拆除并将R4短接.图2显示了一个二阶多反馈电路配置.这种电路拓扑结构下,输入信号在参考电压VREF处被反相了.如果需要更高阶的滤波器,可将这两种拓扑关系串接起来.
&&& 在设计这两种拓扑电路的任一种时,最初需要考虑的两个关键参数是增益带宽积(Gain Bandwh Product,GBWP)和转换率(Slew Rate).选择运放前,应先确定滤波器的截止频率(fc),即滤波器开始衰减信号的频率.您有时会在文献中看到截止频率被称为通带频率.截止频率确定后,即可利用滤波器设计软件FilterLab(可从www..com下载)确定电容和值.
&&& 截止频率确定后,选择具备正确带宽的放大器就很容易了.放大器的闭环带宽必须比滤波器的截止频率至少高100倍.如果采用的是Sallen-Key型电路配置,且滤波器增益为+1V/V,那么,放大器的增益带宽积(GBWP)应大于等于100fc.如果闭环增益大于+1V/V, 则GBWP应大于等于100GCLNfc,其中GCLN等于滤波器的非反相闭环增益.如果采用的是多反馈电路配置,放大器的GBWP应大于等于100*(-GCLI+1)fc,其中GCLI等于闭环系统的反相增益.表1列出了运放的增益带宽积.
&&& 除了要考虑放大器的带宽外,还应估算转换率,以确保滤波器不产生信号失真.放大器的转换率取决于内部电流和电容.当大信号通过放大器时,电流会对电容充电.充电速度取决于放大器的内部电阻、电容和电流值.为了不使有源滤波器进入失真状态,应正确选择放大器以使转换率≥(2πVOUT P-Pfc),其中VOUT P-P是滤波器在频率低于fc时所期望的输出电压的峰-峰值.
&&& 二阶滤波电路受到另两个参数的影响,Sallen-Key电路的输入共模电压范围(VCMR)和输入偏置电流(IB).在Sallen-Key电路配置中,VCMR将限制输入信号的范围.如果不是电源应用,则可不将电源电流作为关键参数进行考虑.
&&& 另一个需要考虑的的二阶滤波器参数是输入偏置电流.该参数描述了流入流出放大器输入引脚的电流总量.如果采用的是Sallen-Key电路配置(如图1所示),放大器的输入偏置电流将流过R2.
&&& 由这种错误产生的压降将以输入失调电压和输入噪声源的形式出现.但更加关键的是,几纳安到几毫安范围内的高输入偏置电流会促使您降低电路中的电阻.电阻降低后,为了达到滤波器的截止频率要求,必须提高电容值.但从成本、精度和体积等因素考虑,选择大容量电容不见得是好的方案.另外,还应注意电流将随着温度的升高而增加.从表1可见,大多数器件的输入偏置电流参数均在皮安级,因此,允许使用.
&&& 按照上述简单步骤,您将发现成功地设计低通滤波器并没有想象中的困难,而且很快就能设计出可正常工作的电路了.
简单的低通滤波器电路
整流器和平均值滤波器电路
不包含电容元件的四阶低通滤波器电路
采用BUF-03的低通或高通滤波器电路
采用LM387的语音滤波器电路
具有可变Q的陷波滤波器电路
具有可变状态的有源滤波器电路
频率为1KHZ的四级电信滤波器电路
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