PCB设计中的滤波技术：信号处理与电源稳定的关键（上）

滤波在PCB设计中扮演着双重角色：既包括专门的信号滤波器设计，也涉及大量电源滤波电容的运用。滤波之所以不可或缺，主要基于两方面原因：其一，传导噪声无法完全通过其他方式抑制，尤其是信号进出设备时需要有效滤波；其二，集成电路状态变化会在电源上产生噪声，进而影响芯片正常工作。

 

图1 电源走线上存在有一定的电感

 

 

----///电源噪声的产生与抑制///----

 

在电子电路中，电源走线天然存在等效电感。当IC输出状态从0变为1时，需要从电源为负载电容充电。由于电源回路上存在等效电感，电流变化会在此电感上产生电压波动(ΔV)。这种波动既可能导致功能失效，也会成为主要辐射源增大电磁干扰。

 

 

解决方案是应用滤波电容：当IC输出状态变化时，所需瞬时电流由贴近IC的滤波电容提供，而非远端电源，从而避免了电源线上等效电感引起的噪声。

 

 

图2  IC1的输出状态变化引起电源的波动

 

 

图3 电源滤波电容的应用

 

 

 

----///常用滤波器件特性 ///----

 

 

电阻

 

电阻通常不单独用于滤波，而是与电容组合形成RC滤波网络。值得注意的是，电阻因引线电感(ESL)与寄生电容影响，在高低频下呈现显著不同的特性。

 

图4 导线、电阻、电感与电容的高频特性与低频特性

 

电感

 

电感因引线电阻(ESR)和寄生电容的存在，具有自谐振频率(f₀)特性。在低于f₀的频率范围内表现为电感特性，而高于f₀时则呈现电容特性，这在计算滤波器插入损耗时需特别注意。

 

 

电容

 

电容是滤波电路中最常用的元件，其特性决定了滤波效果。理想电容在频率增加时阻抗降低，但实际电容因ESR和ESL影响，在高频下性能受限。

 

 

铁氧体磁珠

 

铁氧体磁珠是由铁、镍、锌氧化物混合而成的磁性材料，具有高电阻率和较高磁导率(约100~1500)。其特点是低频电流几乎无衰减通过，而高频电流受到显著损耗转化为热量散发。相比普通电感，铁氧体磁珠在高频下呈现电阻性特性，能在宽频率范围内保持高阻抗，从而提供更好的高频滤波效果。

 

 

图5 典型的铁氧体磁珠的频率特性(资料来源: muRata)

 

 

 

共模电感

 

共模电感通常由两个绕制在同一铁氧体环上的相同线圈构成。其工作原理是：共模电流产生的磁通相互叠加，形成大电感抑制共模噪声；而差模电流产生的磁通相互抵消，几乎无电感，允许差模信号无衰减通过。

图6 典型的共模电感的频率特性(资料来源: muRata)

 

 

 

下期我们来聊聊滤波电路.............