PCB設(shè)計(jì)中的濾波技術(shù)：信號處理與電源穩(wěn)定的關(guān)鍵（上）

濾波在PCB設(shè)計(jì)中扮演著雙重角色：既包括專門的信號濾波器設(shè)計(jì)，也涉及大量電源濾波電容的運(yùn)用。濾波之所以不可或缺，主要基于兩方面原因：其一，傳導(dǎo)噪聲無法完全通過其他方式抑制，尤其是信號進(jìn)出設(shè)備時需要有效濾波；其二，集成電路狀態(tài)變化會在電源上產(chǎn)生噪聲，進(jìn)而影響芯片正常工作。

圖1 電源走線上存在有一定的電感

----///電源噪聲的產(chǎn)生與抑制///----

在電子電路中，電源走線天然存在等效電感。當(dāng)IC輸出狀態(tài)從0變?yōu)?時，需要從電源為負(fù)載電容充電。由于電源回路上存在等效電感，電流變化會在此電感上產(chǎn)生電壓波動(ΔV)。這種波動既可能導(dǎo)致功能失效，也會成為主要輻射源增大電磁干擾。

解決方案是應(yīng)用濾波電容：當(dāng)IC輸出狀態(tài)變化時，所需瞬時電流由貼近IC的濾波電容提供，而非遠(yuǎn)端電源，從而避免了電源線上等效電感引起的噪聲。

圖2IC1的輸出狀態(tài)變化引起電源的波動

圖3 電源濾波電容的應(yīng)用

----///常用濾波器件特性///----

電阻

電阻通常不單獨(dú)用于濾波，而是與電容組合形成RC濾波網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，電阻因引線電感(ESL)與寄生電容影響，在高低頻下呈現(xiàn)顯著不同的特性。

圖4 導(dǎo)線、電阻、電感與電容的高頻特性與低頻特性

電感

電感因引線電阻(ESR)和寄生電容的存在，具有自諧振頻率(f?)特性。在低于f?的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為電感特性，而高于f?時則呈現(xiàn)電容特性，這在計(jì)算濾波器插入損耗時需特別注意。

電容

電容是濾波電路中最常用的元件，其特性決定了濾波效果。理想電容在頻率增加時阻抗降低，但實(shí)際電容因ESR和ESL影響，在高頻下性能受限。

鐵氧體磁珠

鐵氧體磁珠是由鐵、鎳、鋅氧化物混合而成的磁性材料，具有高電阻率和較高磁導(dǎo)率(約100~1500)。其特點(diǎn)是低頻電流幾乎無衰減通過，而高頻電流受到顯著損耗轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)。相比普通電感，鐵氧體磁珠在高頻下呈現(xiàn)電阻性特性，能在寬頻率范圍內(nèi)保持高阻抗，從而提供更好的高頻濾波效果。

圖5 典型的鐵氧體磁珠的頻率特性(資料來源: muRata)

共模電感

共模電感通常由兩個繞制在同一鐵氧體環(huán)上的相同線圈構(gòu)成。其工作原理是：共模電流產(chǎn)生的磁通相互疊加，形成大電感抑制共模噪聲；而差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，幾乎無電感，允許差模信號無衰減通過。

圖6 典型的共模電感的頻率特性(資料來源: muRata)

下期我們來聊聊濾波電路.............