硬件滤波参考设计方案

通过软件或硬件实现滤波器的实现。 滤波器是过滤电路中不必要的成分，留下有用的成分。本章讲述了各种硬件滤波器的设计，硬件滤波器主要通过电容电阻和电感器进行过滤。

整流电路输出的电压为单向脉动电压，由于交流纹波大，不能直接用于电子电路。因此，应过滤输出电压， 消除电压中的交流成分，成为直流电路。

在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性的设备，如电容器和电感器。本文分析了各种形式的滤波电路。在分析之前，首先了解单向脉动直流电压的特性 。 如图1左侧的一些图所示，整流后的电压方向是一致的，但电压范围波动，即在时间轴上，电压呈周期性变化，因此脉动。 根据波形分解原理，这个电压可以分解 不同频率的直流电压和交流电压，如图1右侧所示，虚线部分为单向脉动直流电压 Uo中间的直流成分，实线部分是Uo 交流成分。

概述： 根据以上分析，单向脉动直流电压可分解为交流和直流。在电源电路的滤波电路中，电压中的交流成分可以通过使用电容器的隔离交通特性和储能特性来过滤，也可以通过使用电感的隔离交通直特性来过滤。如图3所示，为电容滤波原理图。

原理： 如图2所示，输出电路为整流电路。通过整流电路输出的交流电压为单向脉动直流电，即电路中的交流电压Uo。 图3为电容滤波电路，电容滤波电路利用电容的充放电原理实现滤波。由于电容C相当于直流电路的开路，整流电路输出的直流电压不能通过C到地，只能添加到负载R上。对于整流电路输出的交流成分， 由于C容量大，容抗小，交流成分通过C流向地端，不能添加到负载R。这样，所需的直流电压通过电容C的滤波从单向脉动直流电中取出 Uo。

注意: 滤波电容C的容量越大，对交流成分的容抗性越小，负载R上残留的交流成分越小，滤波效果越好。

概述： 如图4所示，电感滤波原理图。由于电感L相当于直流电路，整流电路输出的直流电压直接添加到负载R上。

原理： 对于整流电路输出的交流成分，由于L电感大，感抗大，对交流成分有很大的阻碍作用 了交流电通过C流到加到负载R。这样，所需的直流电压通过电感L的滤波从单向脉动直流电中取出 Uo。

注意： 滤波电感L的电感越大，对交流成分的感觉阻力越大，负载R上残留的交流成分越小，滤波效果越好，但直流电阻也会增加。

概述： 图 5 所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 三个滤波电容器，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、 R2 和 C3 构成第二节 π 型 RC 滤波电路。因为这种滤波电路和希腊字母一样形式 π 使用电阻器和电容器，因此被称为 π 型 RC 滤波电路。

原理： 从整流电路输出的电压首先通过 C1 滤波器，过滤掉大部分交流成分，然后添加到原因 R1 和 C2 在滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成分压电路是因为 C2 容抗性很小，因此交流成分的分压衰减量很大，达到滤波的目的。对于直流来说，因为 C2 因此，它具有隔离作用 R1 和 C2 分压电路对直流无分压衰减作用，使直流电压通过 R1 输出。

注意：（1）在 R1 当尺寸不变时，增加 C2 能提高滤波效果。在 C2 当容量大小保持不变时，增加容量 R1 能提高滤波效果的阻值。但是，滤波电阻 R1 电阻值不能太大，因为流过负载的直流电流应该流过 R1，在 R1 直流压降会产生直流输出电压 Uo2 减小。R1 电阻值越大，或流过负载的电流越大 R1 压降越大，直流输出电压越低。

（2） C1 是第一节滤波电容，增加容量可以提高滤波效果。但是 C1 太大后，开机时是对的 C1 充电时间长，流过整流二极管，充电电流过大，时间过长，会损坏整流二极管。所以用这个 π 型 RC 可以使滤波电路 C1 容量小，设计合理 R1 和 C2 滤波效果进一步提高。

(3)这个滤波电路共有 三 直流电压输出端分别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电容 C1 滤波；Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所以滤波效果更好， Uo2 交流成分较小；Uo3 则经过了 两 节滤波电路的滤波效果最好，所以 Uo3 交流成分最少。

(4)三个直流输出电压的大小不同。Uo1 电压最高，一般这个电压直接加到功率放大器电路，或者加到直流工作电压最高、工作电流最大的电路；Uo2 由于电阻，电压稍低 R1 直流电压有电压降；Uo3 由于前电路的直流工作电压相对较低，且要求直流工作电压中的交流成分较少，因此电压最低。

(5)输出电流不大时使用RC，R值不能太大，一般几欧姆到几十欧姆。它的优点是RC体积小，成本低，缺点是电阻消耗一些能量，效果不如LC电路、滤波电容器取大一点效果也不错。

（6）当采用这种 π 形 RC 通过调整后面的滤波电路，可以稍微降低第一个电容量 L 形 RC 提高滤波效果的滤波电路。

（7）RC滤波器通常与操作放大器结合使用，形成有源滤波器，主要用作低频信号滤波器。例如，它被用作锁相环路中的环路滤波器。

概述： 图 6 所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。该电路仅用滤波电阻代替滤波电感，因为滤波电阻对直流电阻和交流电阻相同，而滤波电感对交流电感的电阻较大，对直流电阻较小，既能提高滤波效果，又不降低直流输出电压。

原理：在图 6 在电路中，整流电路输出的单向脉动直流电压首先是电容器 C1 滤波器，去除大部分交流成分，然后添加 L1 和 C2 滤波电路中。对于交流成分， L1 对它有很大的抵抗力，所以在 L1 上部交流电压降大，负载上的交流成分小。 对直流电而言， 由于 L1 不表现感抗， 相当于通道。同时，滤波器电感器的线径较厚，直流电阻较小，直流电压基本无电压降，直流输出电压较高，是电感滤波器的主要优点。

注意：LC电路中有一个电感，根据输出电流和频率选择电感。其缺点是电感体积大、体积大、价格高。电子线路的一般电源是RC滤波，少用LC滤波电路，但在大电流负载或数量时MHz需要使用上述高频场合LC滤波电路。

概述： 为了使三极管正常工作，必须为其建立直流电路。三极管用于电子滤波器，因此电子滤波器中的三极管也应有相应的直流电路。如图 7 所示是电子滤波器。电路中的 Q1 是三极管， 起到滤波管的作用， C1 是 Q1 基极滤波电容器， R1 是 Q1 基极偏置电阻， RL一是滤波电路的负载， C2 是输出电压的滤波电容器。

​ 概述： 有些场合下，为了进一步提高滤波效果，可以采用双管电子滤波器电路，这种电路中采用两个电子滤波管构成了复合管电路，这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之积，显然可以大幅提高滤波效果。 如图9所示是双管电子滤波电路，电路中，Q1 和 Q2 是两个同极性三极管，它们构成复合管；电阻 R1 是这两个三级管的基极偏置电阻，RL1是这一电子滤波器的负载电阻；C1 是电子滤波管基极滤波电容，C2 是电子滤波器的输出端滤波电容。

​ 原理：（1）电阻 R1 给 Q1 基极偏置，使之产生基极偏置电流，Q1 有发射极电流，其发射极电流直接流入 Q2 基极，这样 Q2 也有了静态偏置电流，Q1 和 Q2 处于导通状态。

（2）复合管电路中，Q1 和 Q2 复合后可以等效成一个NPN型三极管，这个等效三极管的电流放大倍数等于两个三极管电流放大倍数之积，如果两个三极管的电流放大倍数都是50，那复合管的电流放大倍数是2500，可见复合管可大幅度提高电流放大倍数。

（3）双管电子滤波器电路与单管电子滤波器电路的工作原理一样，只是采用了复合管后电流放大倍数增大许多，使滤波效果更好。

​ 注意：（1）双管电子滤波器电路的注意事项与单管电子滤波器电路的注意事项基本相同。

​ （2）当 Q1 开路时，Q2 发射极输出的直流电压大幅下降，或直流输出电压为0V，当 Q1 短路时，Q2 发射极电压大幅增大，存在烧坏 Q2 的危险，同时，电路噪声大幅增大。

​ （3）当 Q2 开路时，Q2 发射极上的直流电压输出为0V；当 Q2 短路时，Q2 发射极电压大幅增大，电路噪声大幅增大。

（1）分析滤波电容工作原理时，主要利用电容器的”隔直通交“特性，或是充电与放电特性，即整流电路输出单向脉动性直流电压时对滤波电容充电，当没有单向脉动性直流电压输出时，滤波电容对负载放电。

（2）分析滤波电感工作原理时，主要是认识电感器对直流电的电阻很小、无感抗作用，而对交流电存在感抗。

（3）进行电子滤波器电路分析时，要知道电子滤波管基极上的电容是滤波的关键元件。另外，要进行直流电路的分析，电子滤波管有基极电流和集电极、发射极电流，流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流，改变基极电流大小可以调节电子滤波管集电极与发射极之间的管压降，从而改变电子滤波器输出的直流电压大小；

（4）电子滤波器的滤波效果很好，所以应用比较广泛；

（5）采用复合管作为电子滤波管之后，滤波效果更好，所以正在一些对滤波要求很高的电路中使用这种双管电子滤波器电路；

（6）电子滤波器中采用两个三极管的主要目的是提高电流放大倍数，因为电子滤波器的滤波效果与三极管的电流放大倍数成正比；

（7）与普通的电容滤波电路相比，由于三极管的成本低，所以采用双管电子滤波器电路不仅可以大幅提高滤波效果，还可以降低滤波电路成本；

（8）电子滤波器本身没有稳压功能，但加入稳压二极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。

（9）RC滤波器相对于LC滤波器来说，更容易小型化或者集成，LC相对体积就大多了；

（10）RC滤波器有耗损，LC滤波器理论上可以无耗损，所以电源部分电路一般都是LC电路；

（11）RC比LC的体积要小，成本要底；

（12） RC用在低频电路中，LC滤波一般用在高频电路中。