背景
滤波器几乎总是电子设计的一部分。设计工程师设计一种在特定频率范围内实现一定衰减的滤波器。有许多类型的滤波器,如高通,低通或带宽。流行的滤波器配置包括L- c, C-L-C (π)或L- c -L (T)。可以肯定地说,当谈到滤波器设计时,这个主题的讨论很容易成为一本非常厚的书。
在本文中,我们只想讨论一个基本主题,即过滤器的性能。滤波器的性能是根据衰减或插入损耗来衡量的,两者都使用dB为单位。
理论
开始讨论的最佳位置是CISPR 17,它定义了过滤器的技术术语。文中还详细说明了如何测量滤波器的插入损耗。
滤波器通常在差分模和共模下都能对噪声进行衰减。在低频范围(通常在几千赫到1兆赫之间),噪声主要是差分模式。频率越高,共模噪声就越明显。
以50Ω/50Ω(源阻抗/负载阻抗)系统为例,CISPR 17定义了两种测试来测量滤波器性能,它们是对称的(差分模式)和不对称的(共模式)。测试设置如图1所示。信号发生器(G)在定义的频率范围内进行信号扫描,并测量负载上的电压(Z2)。
请注意,在这两种情况下Z0和Z2都是50 Ω。在[1]中,作者质疑50Ω/50Ω测试设置,认为最差情况测试设置,如0.1Ω/100Ω和100Ω/0.1Ω可以提供更好的过滤器性能分析。这是一个有效的观点,因为在现实中,几乎不存在50Ω/50Ω系统。
不管测试设置如何,插入损耗定义为
插入损耗= 20log(V20/V2),
其中V20是插入滤波器前Z2上的电压,V2是插入滤波器后的电压测量值。测试设置如图2所示。
实用
虽然这个理论听起来简单明了。为了了解滤波器的插入损耗是什么,这里我们给出一个实际的例子来演示。
我们演示的滤波器是一个现成的沙夫纳部件fn670 - 3amp。滤波器及其电气原理图如图3所示。
根据供应商数据表,过滤器性能如图4所示。可以看到,四个测试设置结果给出了最佳的滤波器分析。应该注意的是,对于设置C和D,插入损失仅在10kHz和1 MHz之间执行。正如我们前面提到的,这是因为当频率超过1 MHz时,共模噪声开始占主导地位,因此超过1 MHz的对称模的测量结果可以过度预测滤波器性能。
然后建立了基于SPICE的仿真模型来演示插入损耗。在构建滤波器时需要仔细考虑寄生参数,因为在500kHz以上,滤波器中无源元件的寄生参数开始生效。仿真模型如图5所示。详细的仿真模型和寄生参数调优方法请参见[2]。
使用基于SPICE的AC分析工具可以很容易地进行滤波器插入损耗分析。仿真模型如图6所示。所选频率扫描可在几秒钟内完成,插入损耗可以使用模拟探针工具或简单地使用20log(mag(V1/V2))方程绘制。
图7显示了模拟结果与数据表测量结果的比较。由此可见,达到了很高的匹配水平。
结论
本文介绍了滤波器插入损耗的基本原理和测量方法。通过仿真模型验证了该滤波器的性能。模拟的滤波器插入损耗与试验结果吻合较好。