一文讀懂：高頻濾波器的結構、原理、高頻性能以及應用設計

濾波器的高頻性能

ESD濾波器要取得良好的使用效果，需要滿足以下幾個方面的性能要求：一是對正常工作信號的影響要小，信號的衰減和畸變小；二是高頻濾波性能要好，在幾百兆赫時還能有效濾波；三是具有一定的功率容量來吸收脈沖能量。

圖4 實際電感器的寄生參數及其高頻模型

實際濾波器中使用的電感器、電容器都具有微小的非理想的寄生參數。這些參數在低頻時，因數值小而對濾波器的性能影響不明顯，但當頻率在幾兆赫以上時，就會惡化濾波器的高頻濾波性能，使其遠遠偏離理想濾波器狀態。圖4（a）、（b）所示分別為實際電感器的寄生參數及其高頻模型。電感器通常由線圈和磁心兩部分組成。當存在外加電壓時，線圈不同的線匝間會存在電壓差，分布著電力線，該效應對外可等效為并聯的電容EPC。因此，一個實際的電感器實質上是電感和電容的并聯體。圖4（c）所示為理想電感器和實際電感器的對數阻抗特性曲線，可見當頻率超過電感和寄生電容并聯的諧振點后，電感器對外呈現容性，即已不再是電感。寄生電容越大，諧振頻率也越低，高頻阻抗也越低。實際的電容器也類似地存在著寄生參數。通常，電容器的引線引腳、內部電極也不完全是理想平板分布，這些金屬引線和彎曲的電極也存在微小的寄生電感ESL，因此一個實際的電容器實質上是電容和電感的串聯體。圖5（a）、（b）所示分別為實際電容器的外部結構及其高頻模型。圖5（c）所示為理想電容器和實際電容器的對數阻抗特性曲線，可見當頻率超過電容和寄生電感串聯諧振點后，電容器對外呈現感性，即已不再是電容。由此也可推知，如不能很好地控制寄生參數，則由電感器、電容器構成的LC低通濾波器在高頻時就變成了高通濾波器，對ESD、EFT等尖峰脈沖就不能起到預期的衰減作用。

圖5 實際電容器的寄生參數及其高頻模型

對電容器來講，一般通過使用無引腳的表面貼電容，選用低ESL的電容器件，安裝時盡可能減短引腳長度等措施，可以保證電容器的高頻性能。而對于電感器，要消除EPC則相對困難一些。設計者可通過選用低EPC電感器、分槽繞線或交錯繞線等工藝來降低EPC。通常，電感阻抗對正常信號也常有影響，故在實踐中，對于ESD、EFT等高頻尖脈沖的抑制，還可以通過使用特殊材質的磁心電感器來進行。

圖6 磁珠的磁導率-頻率關系曲線

較理想的抗ESD用磁心材料應具有良好的高頻磁導率，同時低頻的磁導率不要太高，以起到低頻通過、高頻阻礙的作用。鐵-鎂合金或鐵-鎳合金的鐵氧體材料就具有這樣的特性，其制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色，通常制作成磁環或磁珠的形式（磁珠結構可參考圖3中間的器件）。圖6所示為磁珠典型的磁導率-頻率關系曲線。圖中的磁導率μ為復數，其中實部的磁導率μ′最終構成電感，虛部的磁導率μ″代表磁損耗，最終構成電阻。并且μ′隨頻率增加而迅速下降，μ″隨頻率增加而迅速增加。使用這種磁心做電感器時，導線通常僅有1～2匝，因而寄生電容很小。這種電感器的等效電路如圖7所示，其由電感L和電阻R串聯組成，只不過L和R都是頻率的函數。磁珠電感的阻抗在整體上是隨著頻率的升高而增大的，并且在高頻也保持著較大數值，如圖8中Z-f曲線所示。但在不同頻率時，其阻抗的組成是不同的。頻率低時，阻抗主要由電感L（ω）構成，這時R（ω）很小；高頻時，阻抗的感抗部分會因磁心的磁導率降低而減小，但是這時磁心的損耗增加，電阻R（ω）成分增加，并使磁珠總阻抗增加，此時，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉成熱能形式而耗散掉。

圖7 磁珠電感的等效電路

圖8 磁珠阻抗-頻率曲線

因此，磁珠適用于吸收ESD等高頻干擾，且磁珠長度越長抑制效果越好。除前述鐵氧體磁珠材料外，目前非晶材料的磁珠也有良好的高頻抑制效果。