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电源和信号线滤波

通过克里斯·弗朗西斯|2015年12月18日,

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需要对电源或信号线进行滤波的原因有很多。对于敏感的模拟电路来说,开关稳压器的电源线路可能噪音太大。信号或供电线路可能接收到来自系统电路其他部分或外部设备的干扰。对于信号线,滤波的问题可能特别棘手,因为您希望消除任何干扰,同时保持所需信号的完整性。如果想要的信号和噪声具有相似的特性和频带,那么这可能是个问题。在这种情况下,你可能需要求助于屏蔽电缆,但由于成本问题,这通常是最后的手段。甚至高速网络电缆(如100BASE-TX或1000BASE-T)也使用双绞线,而不是屏蔽电缆如10BASE5。用一根网络电缆,你有一个低阻抗和高驱动电流的能力,但用模拟信号,你可能有一个高阻抗和低驱动能力,所以滤波变得很重要。

大量滤波的基本原理是增加高串联阻抗和低并联阻抗,以消除不需要的频率或噪声尖峰。用最简单的术语来说就是串联电阻和并联电容,你会知道这是一个低通滤波器。虽然改变电感的电阻似乎是一个改善衰减的好主意,但它不一定是一个好主意。你会有一个更陡的衰减斜率由于电感,但你现在将有一个谐振电路,这可能会给你一些不希望的结果。以低阻抗信号源和1M欧姆负载为例如下所示:

Supply-and-Signal-Line-Filtering-1

使用1k/10nF组合产生16kHz 3dB点和20dB每十年滚转(绿色轨迹)。用电感替换电阻器应该提高滚转到40dB/ 10年,它确实做到了,但它也增加了一个不希望的效果(红色痕迹):

Supply-and-Signal-Line-Filtering-2

所以,你可以看到增加的衰减与电感,但峰值由于共振。你将得到的确切响应取决于源和负载阻抗。如果你熟悉无源LC滤波器的设计,那么你就会知道源阻抗和负载阻抗是设计滤波器的重要因素。另一种理解方法是低阻抗抑制了共振。所以,电源线路中类似的滤波器会有更低的负载阻抗,所以有不同的响应。将负载改为1k欧姆而不是1M欧姆,结果如下:

Supply-and-Signal-Line-Filtering-3

你仍然有改善的滚落电感,但现在峰值已经被阻尼,是相当小的。与增加电阻相比,电感的另一个优点是串联功率损耗和电压降要低得多。对于电源,你可能不想增加1k欧姆的串联电阻,但10mH电感的串联电阻要比1k欧姆小得多。对于非常高的频率干扰,铁氧体珠型产品是有用的。这些衰减是由特定频率下的衰减来指定的,例如在100MHz下的600欧姆。在这里,你可能会有一个小于1欧姆的电阻,但衰减通常几乎不存在于低频(例如100kHz) -它们主要用于非常高的频率衰减。

在差分信号线中,一个值得了解的器件是共模扼流圈,它通常是一个具有两个相同绕组的环面。绕组之间的互耦使共模信号的电流增加,因此电感使共模信号衰减。对于差分信号,电感电流会相互抵消,因此信号不会衰减。下面的示意图说明了这种效果。L1和L2构成共模扼流圈,在两个电感之间有相互耦合(图中没有显示)。电感器显示的值略有不同,因为完美匹配的电感器将比实际电感器表现得更好。

Supply-and-Signal-Line-Filtering-4

共模(绿色)和差分(红色)信号的衰减如下图所示。在实例模拟中,耦合系数为0.9。更高的耦合系数在更高的频率下会得到更好的结果。

Supply-and-Signal-Line-Filtering-5

100pF电容不是滤波的重要部分,但可能代表你正在驱动的输入电路。在负载电阻较高的情况下,即使是小的杂散电容,也需要注意不必要的共振。将负载电阻保持在尽可能低的水平是一个好主意,只要它不会引入过多的测量误差。

《华盛顿邮报》电源和信号线滤波第一次出现在模拟集成电路提示.


了下:模拟集成电路提示,电容器


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