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[电路/定理] 无源滤波器的设计一例

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 楼主 | 2020-10-15 20:48 | 显示全部楼层 |阅读模式


有一信号源,理想情况下输出频率为w的正弦信号,理论上没有失真,如下图所示:


371255f884424ae3f8.png



但是实际上发现有3阶谐波,现在想抑制3阶谐波,而对基波毫无衰减,对元器件的要求是元件数尽可能地少。



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zyj9490 2020-10-16 21:10 回复TA
只适用于集体电路,不适用于分布电路。 
zyj9490 2020-10-16 21:06 回复TA
让Z放在串联谐振中心W,控制Q值不是行了吗?还有后面加一个并联谐振在3W中。 
| 2020-10-15 20:51 | 显示全部楼层
滤出3阶,  就剩需要一个低通滤波吧,  频率差还比较大,  应该好解决

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 楼主 | 2020-10-15 21:01 | 显示全部楼层

完全相同的问题,但是电路结构变了,信号源内阻为R,请设计个阻抗为Z的滤波器,把3阶谐波滤掉,而不衰减基波。



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 楼主 | 2020-10-15 21:09 | 显示全部楼层


碰到这样的问题,大多数人都会感觉到陌生,不知如何下手。

出现这种情况很正常,因为我们平时学都是【分析】,对于电路【设计】,除了给定电路结构,设计几个阻容数值或者选择管子之外,像模像样的电路设计是没有学过。

所以陌生很正常。



包括像v滤波器设计手册,书中把【设计】理解成是【分析】的简单逆过程------分析出给定电路结构下的各种性能参数----截止频率、Q值等,然后根据这些公式反推出设计所需要的阻容值。


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| 2020-10-15 21:11 | 显示全部楼层
问题是3次波要衰减多少,以选定Q值,其余阻抗匹配即可。
Image_167.png

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 楼主 | 2020-10-15 21:42 | 显示全部楼层
king5555 发表于 2020-10-15 21:11
问题是3次波要衰减多少,以选定Q值,其余阻抗匹配即可。



一看电路结构就知道不行,因为其零点在无穷远

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| 2020-10-15 21:49 | 显示全部楼层
谐振如何?

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| 2020-10-15 22:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 king5555 于 2020-10-15 22:36 编辑
xukun977 发表于 2020-10-15 21:42
一看电路结构就知道不行,因为其零点在无穷远


这类LC匹配是基波功率传递,其端电压必然会改变。
你是问什么?跟什么零点丶极点的。总不会像大师弄个简单的LC串联丶并联谐振,还列出一大堆公式。

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| 2020-10-16 07:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 jz0095 于 2020-10-16 07:50 编辑

用仿真软件设计,只要根据指标曲线(目标曲线)安排元件数和滤波器结构,调节元件参数完成设计(逼近目标曲线),不用进行零极点之类的计算。达不到指标时,改变元件数量和电路结构再仿真,直到满意为止(当然,指标是要可以实现的)。

指标一般有通带、阻带的衰减系数、输入/输出匹配的驻波比或者回波损耗。结构类型可以与串并联谐振混用。

我用的仿真软件是射频线性软件 Genesys。

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| 2020-10-16 09:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 captzs 于 2020-10-16 09:09 编辑
jz0095 发表于 2020-10-16 07:44
用仿真软件设计,只要根据指标曲线(目标曲线)安排元件数和滤波器结构,调节元件参数完成设计(逼近目标曲 ...

@jz0095:我用谐振方法,3个元件。
计算电感电容的乘积,LC=1/(2πf)²= 1/(2π0.1)²=2.532e-12,取电容C=100nf,即,
L=(2.535e-12)/(100e-9)=25.32uH。仿真如下
谐振.GIF

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 楼主 | 2020-10-16 09:23 | 显示全部楼层
jz0095 发表于 2020-10-16 07:44
用仿真软件设计,只要根据指标曲线(目标曲线)安排元件数和滤波器结构,调节元件参数完成设计(逼近目标曲 ...



这种玩法,说好听点叫【调试电路】,说难听点、直白点,叫瞎调,能不能调出来,跟瞎猫碰到死耗子一样,听天由命吧。


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 楼主 | 2020-10-16 10:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-10-16 10:44 编辑


方法或者说思路:

既然想让3次谐波衰减(理想情况下衰减到0),那么意味着阻抗Z必须在±j3w处有对零点:



918495f8907e2abc73.png



既然想让基波无衰减通过,那么意味着±jw处有对极点:


305925f8908597a37b.png




综上所述,上图就是阻抗Z要满足的零极点特征。


于是任务转化为如何设计这样传递函数:



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可惜的是,只用正的R/L/C元件,或者说只用无源元件,是无法实现的。












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| 2020-10-16 11:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 jz0095 于 2020-10-16 11:29 编辑
captzs 发表于 2020-10-16 09:07
@jz0095:我用谐振方法,3个元件。计算电感电容的乘积,LC=1/(2πf)²= 1/(2π0.1)²=2.532e-12,取电容C=1 ...

我看不出你实现了几个指标,包括输入输出匹配。
如果信号源中的3次谐波与基波幅度接近,仿真应该用一个功率合成器将基波和3次谐波两个信号源信号合成为一个信号源,输出给滤波器,看输出中两个频率的幅度差。看到了,你仿真中用了信号合成器,信号源内阻为2k。但是没有匹配指标。

你的网络是个并联谐振带通滤波器。

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| 2020-10-16 11:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 jz0095 于 2020-10-16 11:35 编辑
xukun977 发表于 2020-10-16 09:23
这种玩法,说好听点叫【调试电路】,说难听点、直白点,叫瞎调,能不能调出来,跟瞎猫碰到死耗子一样, ...

放心,新手也很容易上手,而且可以同时完成多目标,比计算灵活。

我用这种方法设计过单输入单输出滤波器,双工滤波器(1输入2输出,或者反向使用,2输入1输出),三工滤波器(1输入3输出,或者3输入1输出)。?工滤波器工作在不同的频率上,各路不能有明显的串扰,且各端口需满足带内匹配指标,在合成端匹配指标不被其他端口阻抗破坏到超标。

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| 2020-10-16 11:39 | 显示全部楼层
而且这种仿真可以使人了解各个元件的贡献,加深对滤波器较全面的认识。

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 楼主 | 2020-10-16 11:43 | 显示全部楼层
jz0095 发表于 2020-10-16 11:13
我看不出你实现了几个指标,包括输入输出匹配。
如果信号源中的3次谐波与基波幅度接近,仿真应该用一个功 ...



一般人讨论电路,都是入乡随俗----讨论低频模电用电路原理一类的术语、讨论滤波器理论就用滤波器专业术语、讨论射频电路就用射频专用术语。。。

你这不管讨论什么,都是浓厚的射频电路术语,一看讲话就知道是学射频与微波的。


这样交流,你看我说的感觉别扭,我看你说的也别扭,感觉是两个世界的。

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 楼主 | 2020-10-16 12:44 | 显示全部楼层
jz0095 发表于 2020-10-16 11:39
而且这种仿真可以使人了解各个元件的贡献,加深对滤波器较全面的认识。



在仿真器里玩,当然简单了,什么都是理想的。


在真实环境下玩就是另一回事了,下图中这个研究生做实验,每次实验结论数据都不同,绝望地直接上吊了。


978655f8924dbb06b0.png




仿真器和真实环境,相去甚远,不可同日而语。







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| 2020-10-16 13:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 king5555 于 2020-10-16 18:19 编辑
jz0095 发表于 2020-10-16 11:39
而且这种仿真可以使人了解各个元件的贡献,加深对滤波器较全面的认识。


我看x大不知道何谓阻抗匹配,只要是π型或T型的三阶以上的LC低通形式,本身就是具有带通滤波。那么这LC滤波回路的兩端口阻抗相同,就是定K型的,Q值仍然可设定大小于1。图中各电抗是Q=1而RL=1Ω时。
这些是讲给x大。
注:上面有误,正确是,π型或T型的三阶以上的LC低通形式,本身就是具有低通滤波,而两端阻抗可以相等戓者不相等。下方带通波形不是带通而是低通波形。
Image_168.png

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| 2020-10-16 14:53 | 显示全部楼层
本帖最后由 jz0095 于 2020-10-16 17:30 编辑
xukun977 发表于 2020-10-16 11:43
一般人讨论电路,都是入乡随俗----讨论低频模电用电路原理一类的术语、讨论滤波器理论就用滤波器专业术 ...

那我撤了。

再提几句。
学低频电路的,有许多人工作后要接高频电路项目,这在论坛里不少见到。我发现有些人在概念和技术上不能顺畅地过渡。重要的原因之一,是由于一些粗糙的低频电路理论造成的。

如果学生从开始时就建立起电压电流的物理散射概念,如同上物理课建立概念;讲解低频端口电压电流也是散射电压电流分量的合成(通过同一网络的散射参数S与其Y、Z参数的转换中,针对的是同一电压电流,可以证明电压电流是合成量);讲解信号源始终是带有内阻的,以及内阻对传输功率的影响(低频电路理论在功率问题上也是用到内阻的),等等,学生对高低频电路理论间的联系就能够有更扎实的认识,今后的技术过渡就可以比较顺畅。这样做对学生来说并没有增加多少难度。

倒是低频电路理论的不连贯,例如对于源内阻,戴维南定理有源内阻,而在有些电路网络分析上又被忽略,容易搞乱学生的头脑。

理论的教学应该保持一致,我看将高低频两套概念并为一套,是利大于弊的。

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 楼主 | 2020-10-16 14:55 | 显示全部楼层
king5555 发表于 2020-10-16 13:22
我看x大不知道何谓阻抗匹配,只要是π型或T型的三阶以上的LC低通形式,本身就是具有带通滤波。那么这LC滤 ...


科普读物【如小鬼子细列】上都有的东西,你拿过来忽悠我,跟喝多了一样。
IMG_20201016_145248.jpg

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