无源滤波器的设计一例

xukun977 · 2020-10-15 20:48

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：

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。

airwill · 2020-10-15 20:51

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

xukun977 · 2020-10-15 21:01

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。

xukun977 · 2020-10-15 21:09

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。

king5555 · 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。

xukun977 · 2020-10-15 21:42

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

captzs · 2020-10-15 21:49

谐振如何？

king5555 · 2020-10-15 22:24

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。

jz0095 · 2020-10-16 07:44

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。

captzs · 2020-10-16 09:07

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

xukun977 · 2020-10-16 09:23

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。

xukun977 · 2020-10-16 10:40

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：

既然想让基波无衰减通过，那么意味着±jw处有对极点：

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：

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。

jz0095 · 2020-10-16 11:13

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。

jz0095 · 2020-10-16 11:22

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。

jz0095 · 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。

xukun977 · 2020-10-16 11:43

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。

xukun977 · 2020-10-16 12:44

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。

仿真器和真实环境，相去甚远，不可同日而语。

king5555 · 2020-10-16 13:22

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。

jz0095 · 2020-10-16 14:53

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。

xukun977 · 2020-10-16 14:55

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。

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