基于電容等效阻抗高頻特性的濾波方法研究

摘 ?要：文章提出了一種以電容阻抗高頻特性為基礎(chǔ)的串?dāng)_耦合干擾的濾波抑制方法。介紹了實(shí)際情況中電容的等效阻抗在高頻工作條件下所表現(xiàn)出的特性，分析了電容濾波時的工作原理。電容濾波的本質(zhì)是在信號傳輸通道與“地”之間搭建一條針對干擾信號的低阻抗通道，使干擾信號在進(jìn)入敏感工作電路之前就通過低阻通道被泄入“地”中，進(jìn)而達(dá)到濾除干擾的目的。利用電容這一特性，成功實(shí)現(xiàn)了對干擾信號的有效濾除，并通過仿真驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞：電容;等效阻抗;高頻特性;濾波

中圖分類號：TM13 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0062-06

Abstract： This paper proposes a filtering method of crosstalk coupling interference based on the high frequency characteristic of capacitive impedance， introduces the characteristics of the equivalent impedance of the capacitor in the high frequency working condition， and analyzes the working principle of the capacitor filter. The essence of capacitance filtering is to build a low impedance channel between the signal transmission channel and the “ground” for interference signal， so that the interference signal is discharged into the “ground” through the low impedance channel before entering the sensitive working circuit， so as to achieve the purpose of filtering interference. Using the characteristic of capacitance， the interference signal is filtered effectively， and the feasibility is verified by simulation.

Keywords： capacitance; equivalent impedance; high frequency characteristics; wave filtering

0 ?引 ?言

當(dāng)前最主要的電磁干擾抑制方法有屏蔽、接地和濾波，其中濾波又是可使用范圍最廣，可研究領(lǐng)域最深，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最明確的一種方法。濾波實(shí)際上就是把信號分成需要用到的工作分量和不希望有的干擾分量，然后通過合理設(shè)計濾波結(jié)構(gòu)，在傳輸線路與“地”之間為干擾分量提供一條低阻抗通道，進(jìn)而達(dá)到將干擾濾除的效果。隨著各式各樣的電子設(shè)備越來越趨向于高集成度、高精度、小型化、高速化，傳統(tǒng)的相對大型的濾波器結(jié)構(gòu)已無法滿足電路設(shè)計要求，器件濾波成為濾波設(shè)計中的熱門。可用于濾波的器件包括電容、電感、電阻以及鐵氧體磁珠等，其中電容是最典型、最常用的旁路濾波器件。當(dāng)前濾波結(jié)構(gòu)中對電容的選取多是定性的根據(jù)設(shè)計師的判斷和經(jīng)驗(yàn)，沒有嚴(yán)密定量的分析計算的過程，隨著工作電路工作頻率的升高，時常會出現(xiàn)選用的電容不能很好達(dá)到濾波目的，甚至?xí)?yán)重影響工作信號的現(xiàn)象。為此，本文嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乩昧穗娙莸刃ё杩沟母哳l特性，通過定量計算的方法為需要濾波的電路選取最佳電容值，為濾波電容的選取提供了理論及計算依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了在工作信號盡可能不受影響的前提下，對干擾信號進(jìn)行有效的濾除，提高了電容濾波措施的嚴(yán)謹(jǐn)性及可靠性。

1 ?基于電容等效阻抗高頻特性的濾波原理

理想情況下的電容，其寄生的電阻和電感都是可以忽略不計的，其阻抗為| Z |=1/（2πfC），即隨著工作頻率的增高、電容值的增大，電容的阻抗就變得越小。此時在設(shè)計針對高頻干擾的濾波電容時不存在任何顧慮，電容值越大，濾波效果就越好。但實(shí)際情況有所不同，由于電容引腳及連接線的存在，其本身也存在著寄生的電感和電阻，且在高頻時會對系統(tǒng)造成較大干擾，這時候不再是電容越大越好，而是需要計算合適的電容值。

高頻工作條件下，電容器件可以被等效成為一個由電容、電阻和電感組成的簡化串聯(lián)電路，如圖1所示，此時可以用該串聯(lián)的諧振電路表示電容。

時，電路中電容的阻抗最小。此時的頻率稱為等效電容電路的自諧振頻率，表示為f0。當(dāng)所處頻率ff0時，電容阻抗是感性的。也就是說，隨著工作頻率的增加，電容器的等效阻抗先減小后增大。最小阻抗出現(xiàn)在自諧振頻率f0處。此時，電容器的寄生電感和容性電抗正好對抵，表明阻抗正好等于寄生電阻ESR。變化曲線如圖2（b）所示。

使用電容進(jìn)行濾波時就是利用電容這一對不同頻率的信號會有不同大小阻抗的特性，根據(jù)系統(tǒng)信號能量的頻譜分布，針對干擾頻率成分點(diǎn)計算出最佳濾波電容值（即以該頻率點(diǎn)為諧振頻率的電容），為干擾成分搭建一條低阻通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)信號中的干擾頻率分量的濾除，電容濾波的工作原理如圖3所示。

圖中，AC為系統(tǒng)信號源，R1為電路中的保護(hù)電阻，R2看作簡化的工作系統(tǒng)，C為電容濾波結(jié)構(gòu)。通過計算得出的濾波電容對于干擾頻率分量表現(xiàn)出的阻抗會非常小，而對于相對低頻的工作信號相當(dāng)于斷路，這就在幾乎不影響工作信號的前提下為干擾頻率分量創(chuàng)建了一條低阻抗通道，使其在影響敏感工作電路之前就被泄入“地”中，從而起到保護(hù)敏感工作電路的作用。

2 ?電容濾波的應(yīng)用與驗(yàn)證

2.1 ?濾波對象介紹

本文研究的濾波對象為一個5 V—3.3 V/1.5 V的電源轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。電路工作時，外部電源能夠提供5 V的直流電壓，而系統(tǒng)不需要如此高的電壓進(jìn)行供電，所以需要對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果電壓轉(zhuǎn)換發(fā)生錯誤，則后面所有的電路都將無法實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。在所研究的系統(tǒng)中，線間串?dāng)_通過地線耦合進(jìn)入電源轉(zhuǎn)換電路，對系統(tǒng)輸出信號產(chǎn)生很大影響。為便于分析簡化文章，在受擾子電路的接地處增加一個外部輸入端口2來代替產(chǎn)生干擾的復(fù)雜電子系統(tǒng)，外部端口2所輸入的信號即為提取的線間串?dāng)_信號。本文通過用外部輸入端口代替復(fù)雜電子系統(tǒng)的方式可精確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸信號的重現(xiàn)且簡化了模型，提高了效率。

該電源轉(zhuǎn)換電路在未受干擾時的P1、P2點(diǎn)處的輸出波形如圖5（a）、圖5（b）所示，而實(shí)際輸出波形如圖5（c）、圖5（d）所示?？梢钥闯?，在0.3 ms時，電路受到了干擾，芯片輸出信號發(fā)生了波動。若該波動最大幅值超過了器件工作閾值，則會被燒毀。為了保證工作系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要對該干擾進(jìn)行抑制。

2.2 ?干擾信號分析及電容值的選取

由電容濾波機(jī)理可以知道，要想實(shí)現(xiàn)濾波電容的精確最佳取值，首先要明確干擾信號的頻率分布，然后再以干擾中的能量分布集中頻率點(diǎn)作為待選電容的諧振頻率f0，經(jīng)由串聯(lián)諧振反推公式C=1/4π2Lf02計算出最佳濾波電容值，以為想要濾除的干擾分量搭建一條低阻抗通道。提取的干擾信號在0.3 ms附近的時域波形如圖6（a）所示，對提取出的無用信號進(jìn)行時頻域變換，得到如圖6（b）所示的頻譜圖。

分析干擾信號的頻譜圖可知，串?dāng)_干擾的能量集中分布于以625 kHz、0.48 GHz以及1.3 GHz為中心的三個頻點(diǎn)附近?；谶@三個能量集中頻點(diǎn)，通過公式C=1/4π2Lf02對最佳濾波電容值進(jìn)行計算可得：當(dāng)f0=1.3 GHz時C=15 pF;當(dāng)f0=0.48 GHz時C=0.11 nF;當(dāng)f0=625 kHz時C=64.84 μF。

2.3 ?電容濾波效果驗(yàn)證

2.3.1 ?15 pF電容濾波效果驗(yàn)證

經(jīng)15 pF電容濾波后，信號波形如圖7所示。

通過對15 pF電容濾波后得到的波形分析可知，加入15 pF電容濾波后，干擾信號的最大幅值為0.11 V，最小幅值為-7.5 V。與原波形相比，干擾持續(xù)時間縮短，最大振幅得到了很好的抑制，振蕩頻率和振幅也得到了很好的抑制，干擾抑制效果明顯。

2.3.2 ?0.11 nF電容濾波效果驗(yàn)證

經(jīng)0.11 nF電容濾波后，信號波形如圖8所示。

通過對0.11 nF電容濾波后的波形分析可知，加入0.11 nF電容濾波后，干擾信號的最大幅值為0.12 V，最小幅值為-4.87 V。與原波形相比，干擾持續(xù)時間更短，最大振幅也得到了很好的抑制，最小振幅也得到了一定程度的有效抑制，但振蕩頻率變化不大，振蕩幅度仍有所減小，對干擾信號有一定的濾波作用。

2.3.3 ?64.84 μF電容濾波效果驗(yàn)證

經(jīng)64.84 μF電容濾波后，信號波形如圖9所示。

通過對64.84 μF電容濾波后的波形分析可知，加上64.84 μF電容濾波后，干擾信號的最大幅值為0.89 V，最小幅值為-0.87 V。與原始波形相比，干擾持續(xù)時間縮短，最大振幅變化不大，最小振幅受到明顯抑制，振蕩頻率幾乎不變，振蕩幅度明顯減小，濾波效果明顯。

在濾除干擾時，需要參考兩個指標(biāo)：干擾幅度和干擾頻率（信號穩(wěn)定性）。根據(jù)圖4受擾子電路中干擾信號的時頻特性和濾波要求可知，15 pF和64.84 μF大小電容并聯(lián)濾波是對系統(tǒng)干擾信號進(jìn)行濾波的最有效的方法：64.84 μF大電容用于抑制干擾對電路的影響幅度（最小幅度）;15 pF小電容用來調(diào)節(jié)擾動的振蕩頻率（電路穩(wěn)定性），濾波電路模型如圖10所示。

經(jīng)64.84 μF和15 pF兩電容并聯(lián)進(jìn)行濾波后，受擾子電路中P1處的輸出波形如圖11所示。

濾波前后P1輸出波形細(xì)節(jié)對比圖如圖12所示。

由并聯(lián)電容濾波結(jié)果圖可知，并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)為干擾信號中大部分頻率成分提供了一個低阻抗通道，干擾信號中的能量大都通過電容直接泄入大地，因此耦合進(jìn)入工作系統(tǒng)的干擾信號的電壓幅值和頻率大大地被削減了。圖13為并聯(lián)電容濾波后子電路P1、P2點(diǎn)處的輸出信號，可見在0.3 ms處發(fā)生的干擾已得到了很好的控制，且正常工作信號幾乎沒有受到影響，驗(yàn)證了該措施的有效性、可行性。

3 ?結(jié) ?論

本文首先對提取的干擾信號進(jìn)行了傅立葉變換得到其頻譜圖，分析其頻譜圖可知干擾成分的能量集中分布于以625 kHz、0.48 GHz以及1.3 GHz為中心的三個頻點(diǎn)附近;然后將電容等效阻抗的高頻特性及其濾波原理相結(jié)合計算出了當(dāng)以這三個頻點(diǎn)作為待選濾波電容的自諧振頻率時所對應(yīng)的最佳電容值為64.84 μF、0.11 nF和15 pF;接著分別采用三種值的電容設(shè)計濾波結(jié)構(gòu)，進(jìn)行干擾信號的濾除，發(fā)現(xiàn)經(jīng)值為15 pF的電容進(jìn)行濾波后，信號的波動頻率得到了良好的抑制;經(jīng)值為64.84 μF的電容實(shí)現(xiàn)濾波后，串?dāng)_信號整體實(shí)現(xiàn)了很好的抑制。最終得出可設(shè)計15 pF和64.84 μF一小一大兩個電容并聯(lián)濾波的結(jié)構(gòu)對干擾進(jìn)行有效濾除和抑制的結(jié)論，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法濾波效果良好，對有用工作信號幾乎沒有影響，可靠性高。

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作者簡介：譚超（1979—），男，漢族，山東安丘人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：集成電路設(shè)計。