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詳細介紹

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濾波器,顧名思義,是對波進行過濾的器件。"波"是一個非常廣濾波器圖片 泛的物理概念,在電子技術領域,"波"被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用,被轉換為電壓或電流的時間函數,稱之為各種物理量的時間波形,或者稱之為信號。因為自變量時間'是連續取值的,所以稱之為連續時間信號,又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術的產生和飛速發展,為了便于計算機對信號進行處理,產生了在抽樣定理指導下將連續時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說,可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息,波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化,自然就是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播,靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環節都可能由于環境和干擾的存在而畸變,甚至是在相當多的情況下,這種畸變還很嚴重,以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了

 

巴特沃斯響應(最平坦響應)

巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應非常平坦,接近DC信號,然後慢慢衰減至截止頻率點為-3dB,最終逼近-20ndB/decade的衰減率,其中n為濾波器的階數。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應用,其對于維護增益的平坦性來說非常重要。

貝塞爾響應

除了會改變依賴于頻率的輸入信號的幅度外,濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基于頻率的相移產生非正弦信號失真。就像巴特沃斯響應利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣,貝塞爾響應最小化了通帶的相位非線性。

切貝雪夫響應

在一些應用當中,最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波,就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設計多達8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫響應濾波器所需參數的表格。其中兩個表格用于切貝雪夫響應:一個用于0.1dB最大通帶紋波;

濾波器的主要參數(Definitions):

中心頻率(Center Frequency):濾波器通帶的頻率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。

截止頻率(Cutoff Frequency):指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。相對損耗的參考基準為:低通以DC處插損為基準,高通則以未出現寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準。

通帶帶寬(BWxdB):指需要通過的頻譜寬度,BWxdB=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準,下降X(dB)處對應的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數。分數帶寬(fractional bandwidth)=BW3dB/f0×100[%],也常用來表征濾波器通帶帶寬。

插入損耗(Insertion Loss):由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗,以中心或截止頻率處損耗表征,如要求全帶內插損需強調。

紋波(Ripple):指1dB或3dB帶寬(截止頻率)範圍內,插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰-峰值。

帶內波動(Passband Riplpe):通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內波動是1dB。

帶內駐波比(VSWR):衡量濾波器通帶內信號是否良好匹配傳輸的一項重要指標。理想匹配VSWR=1:1,失配時VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言,滿足VSWR<1.5:1的帶寬一般小于BW3dB,其佔BW3dB的比例與濾波器階數和插損相關。

回波損耗(Return Loss):端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數,也等于|20Log10ρ|,ρ為電壓反射系數。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。

阻帶抑制度:衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法:一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB,計算方法為fs處衰減量As-IL;另一種為提出表征濾波器幅頻響應與理想矩形接近程度的指標--矩形系數(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數越多矩形度越高--即K越接近理想值1,制作難度當然也就越大。

延遲(Td):指信號通過濾波器所需要的時間,數值上為傳輸相位函數對角頻率的導數,即Td=df/dv。

帶內相位線性度:該指標表征濾波器對通帶內傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應函數設計的濾波器具有良好的相位線性度。

1、特征頻率:

1)通帶截頻fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號增益下降到一個人為規定的下限;

2)阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號衰耗下降到一人為規定的下限;

3)轉折頻率fc=wc/(2p)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率,在很多情況下,常以fc作為通帶或阻帶截頻;

4)固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時,濾波器的諧振頻率,復雜電路往往有多個固有頻率。

2、增益與衰耗

濾波器在通帶內的增益並非常數。

1)對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益;高通指w→∞時的增益;帶通則指中心頻率處的增益;

2)對帶阻濾波器,應給出阻帶衰耗,衰耗定義為增益的倒數;

3)通帶增益變化量△Kp指通帶內各點增益的最大變化量,如果△Kp以dB為單位,則指增益dB值的變化量。

3、阻尼系數與品質因數

阻尼系數是表征濾波器對角頻率為w0信號的作用,是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。

阻尼系數的倒數稱為品質因數,是*價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標,Q= w0/△w。式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬,w0為中心頻率,在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。

4、靈敏度

濾波電路由許多元件構成,每個元件參數值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數x變化的靈敏度記作Sxy,定義為:Sxy=(dy/y)/(dx/x)。

該靈敏度與測量儀器或電路系統靈敏度不是一個概念,該靈敏度越。 曛咀諾緶啡荽砟芰υ角,穩定性也越高。

5、群時延函數

當濾波器幅頻特性滿足設計要求時,為保證輸出信號失真度不超過允許範圍,對其相頻特性∮(w)也應提出一定要求。在濾波器設計中,常用群時延函數d∮(w)/dw*價信號經濾波後相位失真程度。群時延函數d∮(w)/dw越接近常數。

幾種低通原型濾波器是現代網絡綜合法設計濾波器的基。 髦值屯、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據此特性推導出來的。正因如此,才使得濾波器的設計得以簡化,精度得以提高。

理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過,而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現矩形,故而也稱為矩形濾波器(brick-wallfilter)。遺憾的是,如此理想的特性是無法實現的,所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據所選的逼近函數的不同,可以得到不同的響應。雖然逼近函數多種多樣,但是考慮到實際電路的使用需求,通常會選用"巴特沃斯響應"或"切比雪夫響應"。

"巴特沃斯響應"帶通濾波器具有平坦的響應特性,而"切比雪夫響應"帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性,需要根據電路或系統的具體要求而定。但是,"切比雪夫響應"濾波器對于元件的變化最不敏感,而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性(位于通帶的中部),所以在一般的應用中,推薦使用"切比雪夫響應"濾波器。

按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。

低通濾波器:它允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾和噪聲;

高通濾波器:它允許信號中的高頻分量通過,抑制低頻或直流分量;

帶通濾波器:它允許一定頻段的信號通過,抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲;

帶阻濾波器:它抑制一定頻段內的信號,允許該頻段以外的信號通過。

按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

無源濾波器:僅由無源元件組成的濾波器,它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優點是:電路比較簡單,不需要直流電源供電,可靠性高;缺點是:通帶內的信號有能量損耗,負載效應比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應,當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用。

有源濾波器:由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優點是:通帶內的信號不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負載效應不明顯,多級相聯時相互影響很。 眉讀 募虻Ё椒 莧菀墜鉤篩囈茁瞬ㄆ,並且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽;缺點是:通帶範圍受有源器件的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場合不適用。

根據濾波器的安放位置不同,一般分為板上濾波器和面板濾波器。

板上濾波器安裝在線路板上,如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優點是經濟,缺點是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是:

1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離,容易發生耦合;

2、濾波器的接地阻抗不是很低,削弱了高頻旁路效果;

3、濾波器與機箱之間的一段連線會產生兩種不良作用: 一個是機箱內部空間的電磁干擾會直接感應到這段線上,沿著電纜傳出機箱,借助電纜輻射,使濾波器失效;另一個是外界干擾在被板上濾波器濾波之前,借助這段線產生輻射,或直接與線路板上的電路發生耦合,造成敏感度問題;

濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入與輸出之間完全隔離,接地良好,電纜上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果相當理想

與模擬濾波器相對應,在離散系統中廣泛應用數字濾波器。它的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。或者說,把輸入信號變成一定的輸出信號,從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器一般可以用兩種方法來實現:一種方法是用數字硬件裝配成一台專門的設備,這種設備稱為數字信號處理機;另一種方法就是直接利用通用計算機,將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成,即利用計算機軟件來實現。

 

開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術也在不斷地創新。目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。

按照開關管的開關條件,DC/DC轉換器又可以分為硬開關(Hard Switching)和軟開關(Soft Switching)兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件 是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關斷電路的,因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗,即所謂的開關損耗(Switching loss)。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的,而且開關頻率越高,開關損耗越大,同時在開關過程中還會激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管,在開通或關斷過程中,或是加于 其上的電壓為零,即零電壓開關(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關管的電流為零,即零電流開關(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗,以及開關過程中激起的振蕩,使開關頻率可以大幅度提高,為轉換器的小型化和模塊化創造 了條件。功率場效應管MOSFET)是應用較多的開關器件,它有較高的開關速度,但同時也有較大的寄生電容。它關斷時,在外電壓的作用下, 其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗于器件內部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場 效應管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor,IGBT)是一種復合開關器件,關斷時的電流拖 尾會導致較大的關斷損耗,如果在關斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關損耗,因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關斷方式。IGBT在 零電壓條件下關斷,同樣也能減小關斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,並不能減小容性開通損耗。諧振轉換器(ResonantConverter ,RC)、準諧振轉換器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多諧振轉換器(Mu1ti-ResonantConverter,MRC)、零電壓開關PWM轉換器(ZVS PWM Converter)、零電流開關PWM轉換器(ZCS PWM Converter)、零電壓轉換(Zero-Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器和零電流轉換(Zero- Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器等,均屬于軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展,促使了高頻開關電源的發展。

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