5.4 滤波器设计过程中的问题

上一节学习了低通滤波器的设计方案，但是实际工程中经常遇到一个问题，那就是按照理论设计制作的滤波器并不一定能取得满意的效果。当出现电磁干扰问题时，大多数工程师都知道，需要在电路的输入端或电源线上安装一个滤波电容，这就是一个最简单的滤波器，但是这个措施往往并不能取得什么效果。这是因为，我们对实际的电容和电感器件的特性还了解得不够。

实际电容的等效电路如图 5-11 所示，除了电容量以外，还含有电阻和电感分量。其中，电阻分量是介质材料所固有的；电感分量是由引线和电容结构所决定的，不同结构的电容具有不同的电感，电容的引线越长，电感越大。

对于图5-11所示的实际电容等效电路，它的阻抗特性如图5-12所示。由于这是一个电容和电感的串联网络，因此，存在一个串联谐振点，该谐振点的频率为 。在谐振点处，阻抗等于电阻分量，在谐振点以下，阻抗特性类似容抗特性，在谐振点以上，阻抗特性类似感抗特性，即随着频率升高而增大。

由于低通滤波器中是利用电容的阻抗随频率升高而减小的特性来旁路高频干扰信号的，因此电容的阻抗决定了滤波器的性能，阻抗越低，滤波效果越好。从图 5-12 中可知，实际电容器构成的滤波器，在串联谐振点的阻抗最小，旁路效果最好；过了谐振点以后，电容器的阻抗随着频率的升高而增大，旁路效果开始变差，因此滤波器的性能开始降低，所以普通电容构成的低通滤波器对高频干扰的滤除效果并不是很理想。电容值越大，寄生电感值越大，高频的滤波效果越差，这一点是经常被忽略的。

在实际工程中，我们经常犯一个错误，那就是：当设备出现干扰问题时，在电路的输入端或电源线上并联电容来滤除干扰。为了试验方便，往往将电容的引线保留得很长，结果导致电容的高频滤波效果很差。当滤波电容不起作用时，我们往往就会加大电容的容量，预期更大的电容能对高频干扰有更大衰减，但是电容越大，谐振频率越低，结果反而会使高频干扰的滤波效果更差。

提高滤波器的高频滤波效能是至关重要的，因为电磁干扰的频率往往是比较高的。为了达到这一目的，在使用电容作为滤波器件时应注意以下事项。

（1）电容的自谐振频率与电容的容量有关，电容量越大，谐振频率越低，高频的滤波效果越差，但是低频的滤波效果会有所增加。

（2）电容的自谐振频率与电容的引线有关，引线越长，谐振频率越低，高频的滤波效果越差。

（3）电容的自谐振点和自谐振点的阻抗与电容的种类有关系，如陶瓷电容的性能优于有机薄膜电容的性能。

从图 5-12 中可以看出，在自谐振点附近的频率，实际电容的阻抗比理想电容的要低，因此当干扰的频率范围较窄时，可以利用这个特性，通过调整电容器的容量和引线长度来使其自谐振频率正好落在干扰频率上（或附近），提高滤波效果。

不仅实际的电容由于寄生电感导致高频滤波性能降低，而且电感也存在相同的问题。实际的电感器除了电感参数外，还有寄生电阻和电容分量，如图 5-13 所示。其中，对电感的滤波特性影响最大的是寄生电容，寄生电容与电感共同构成了 LC 并联网络，它的阻抗特性如图 5-14 所示，当频率为 时，会发生并联谐振，这时电感的阻抗最大；过了谐振点后，电感器的阻抗特性呈现容抗特性，即阻抗随频率增加而降低。

电感的寄生电容来自两方面：一个是线圈中的匝间分布电容，另一个是线圈的绕组与磁芯之间的分布电容，如图 5-15 所示，每匝之间的分布电容与线圈的匝数、绕法有关，匝数越多、绕得越密，分布电容越大。绕组与磁芯之间的分布电容与磁芯的导电性、绕组与磁芯之间的距离等因素有关，绕组与磁芯之间的距离越近，分布电容越大，当磁芯是导体时，绕组与磁芯之间形成的电容是并联的，容值较大。

实际电感的阻抗在谐振频率附近比理想电感的阻抗更高，在谐振点达到最大。我们可以利用这个特性，通过调整电感的电感量和改变绕制方法，使电感在特定的频率上谐振，从而抑制特定频率的干扰。

根据上述的电容和电感特性，如果我们制作的低通滤波器没有采取特殊措施消除寄生参数影响，那么，试制的滤波器是并不具有低通滤波器特性的，而是具有带阻滤波器的特性，如图 5-16 所示。这种滤波器是不能抑制高频电磁干扰的。下面各节讲解如何避免这种情况的发生，制作能有效抑制高频干扰的滤波器。