6-3-6. 结合电容器和电感器的滤波器
(1) LC滤波器
可以组合电容器和电感器以改善频率特性。图8显示了某些组合电容器和电感器的LC滤波器的基本特性。
如果使用单个电容器或电感器，则频率特性的斜率将为20dB/dec。
其中组合单个电容器和单个电感器的L型滤波器，斜率将为40dB/dec。由总共三个部分形成的π型或T型滤波器将拥有60dB/dec的斜率。
(2) 每个部分增加斜率20dB/dec。
通过向组合中增加另一部分，频率特性的斜率可以增加20dB。每个部分增加斜率20dB。这样有助于提高滤波器拾取信号和噪声的能力 (图1) 。
滤波器中部件的数量被称为滤波器的“阶数”。L型滤波器是二阶滤波器，而π型或T型滤波器是三阶滤波器。阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性。
(3) 组合使用时电容器和电感器交替
在组合部件时，交替使用电感器和电容器。如果两个电容器或电感器组合在一起，滤波器的阶数不会增加。这样只会增加电容和电感常数。
请注意，图8所示特性为理想化特性。如果没有根据周围电路的阻抗适当地设置电容器和电感器常数，则频率特性将不会如此陡峭地倾斜。
(4) 使用LC滤波器的益处
如上所示，阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性斜率。这一属性在抑制噪声方面具有以下益处。 (另一方面，这在成本方面是不利的，因为涉及更多的部件。)
- 1.当截止频率相同时，可以消除更多噪声。
- 2.当降噪能力相同时，可以传递更高频率范围内的信号。
- 3.可以获得极大的插损 (如果仅有单个部件，将无法实现) 。
后文将解释这些益处。
・更容易分离噪声和信号
在信号频率和噪声频率接近时， (1) 和 (2) 是有益的。如图9所示，这样可以在保持信号频率的同时降低噪声。因此，LC复合滤波器通常用于必须保持脉冲波形的时钟信号。
为了准确地控制截止频率，必须调整电容器和电感器常数以匹配周围电路的阻抗。许多准备用作信号滤波器的LC滤波器经过调整，以匹配大约50Ω的电路。
・能够大大降低噪声
(3) 上述情况是有益的，因为当使用单个部件时，插损存在限制。
例如，当使用电容器消除噪声时，即使使用具有理论超大静电电容的电容器 (例如，1000μF) ，也可以完全消除噪声 (在超过1MHz的所有频率上为100dB或更高) 。然而，实际上，单个电容器仅能够在某些频率处获得大约60dB的插损，而不管电容器的静电电容有多大 (不计算三端电容器和稍后解释的其他特殊电容器) 。这是因为除了静电电容之外，电容器还具有寄生元件，例如ESR和ESL。
可以通过组合电容器与电感器克服限制。利用LC滤波器可以实现例如80dB (或甚至超过100dB，视条件而定) 的插损。
这就是LC滤波器用于开关电源和其他非常嘈杂的设备的原因。
6-3-7. 实际滤波器特性的示例
(1) 截止频率约为10MHz的滤波器比较
电容器和电感器真正特性是什么？图10显示，在截止频率约为10MHz时，对比三种类型滤波器的特性。这里显示的是电容器、电感器和π型LC滤波器。
(2) 理论特性
图10 (a) 表示上述介绍的理论值。为了使图更容易阅读，电容和电感常数被截短。紧密地匹配常数 (例如，将电感设置为2.5μH) 将导致电容器和电感器的曲线完全重叠。π型滤波器的截止频率约为16MHz。
(3) 实际部件特性
图10 (b) 显示实际部件特性的示例。针对每个部分给出标称值，因此包括一些测量误差。此外，π型滤波常数与 (a) 中的计算使用的值不同。即使如此，图中显示，对于100MHz及以下的频率，实际上可以获得非常接近理论特性的值。
另一方面，实际特性与超过100MHz的频率的理论值显著不同。插损值尤其在1GHz附近突然下降。
这是因为在较高频率下寄生元件对电容器和电感器的影响更强。下一章节将阐述寄生元件的效果。
“6-3. 使用LC的低通滤波器”- 要点
- 电容器和电感器用作低通滤波器的元件。
- 电容器旁路噪声电流接地。
- 电感器扼流噪声电流。
- 组合电容器和电感器可以改善频率特性。