一 濾波電路

顧名思義，濾波電路就是濾除不需要的信號(hào)，提取需要的信號(hào)。平日生活中使用的空氣凈化器、凈水器都是利用過濾的原理。電子電路的應(yīng)用環(huán)境，特別是工業(yè)控制、汽車電子領(lǐng)域，電子電路所處的環(huán)境是很復(fù)雜的，一方面需要保護(hù)好自己，避免被干擾，同時(shí)需要“自律”，不要去影響其它電路模塊，否則可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故、交通事故等。

保護(hù)自己與自律，除了電路本身需要足夠穩(wěn)健之外，關(guān)鍵電路還需要設(shè)計(jì)好濾波器，進(jìn)入電路模塊前過濾掉“雜波”，電路模塊工作過程中不可避免也會(huì)產(chǎn)生影響其它電路模塊的“雜波”，需要在電路模塊內(nèi)部自我“凈化”之后再進(jìn)行輸出。

典型的濾波器使用場景是電源濾波器，下圖就為實(shí)用的濾波電路的設(shè)計(jì)。

濾波器有有源和無源之分，不需要供電源便可實(shí)現(xiàn)濾波效果的是無源濾波器，其中組成濾波器的器件為無源器件，如阻容感及磁珠等。有源濾波器實(shí)現(xiàn)功能則首先需要供電，然后才能工作。

那么一階、二階又是指的什么呢？以凈水器為例吧，凈水器濾芯都是經(jīng)過幾級(jí)過濾的，一般來說級(jí)數(shù)越高過濾效果越好。濾波器也是一樣，階數(shù)代表的是濾波器的濾波效果，階數(shù)越高，過濾的效果越干脆。下圖就是不同階數(shù)濾波器的頻譜特性：

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率超過某一個(gè)頻率的閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率的輸出信號(hào)的幅度將得到衰減，起到過濾信號(hào)的效率。我們看到階數(shù)越高的濾波器，過濾效果越接近理想效果，超過截止頻率之后的無用信號(hào)的幅度被衰減得越厲害！

穿插濾波器的基本概念之后，讓我們繼續(xù)回到第一張電源濾波器設(shè)計(jì)圖。輸入級(jí)的LC濾波器是第一級(jí)粗濾，濾除來自外部的噪音，保障電路模塊的正常工作狀態(tài)。如果電路模塊本身也會(huì)產(chǎn)生較多的噪音，反過來污染電網(wǎng)，則需要一個(gè)翻轉(zhuǎn)的LC濾波器，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，我們可以使用下圖所示的Π型濾波器，兼具防噪音輸入和防噪音輸出之功效。

接著，在電路模塊A,B,C..輸入端有兩個(gè)電容，譬如電路模塊的輸入端放了兩個(gè)電容C2和C3，一般來說這是容值一大一小的兩個(gè)電容，譬如C2=10uF,C3=100nF，這其中也有說法。首先，C2和C3的名稱不一樣，C2叫做去耦電容（亦稱退耦電容），C3叫做旁路電容；其次，在Layout設(shè)計(jì)，C2和C3都需要盡量靠近電路模塊，但是作為旁路電容的C3則需要更加的靠近電路模塊，可謂“貼近”。

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過程，我們一般不會(huì)刻意地區(qū)分或強(qiáng)調(diào)去耦電容和旁路電容，實(shí)際上兩者的作用和價(jià)值是一致的，只是精細(xì)程度不一樣而已，旁路電容和去耦電容同時(shí)兼具“儲(chǔ)能”和“濾波”的作用。

此處，我們?cè)偻钐幯由煲稽c(diǎn)，講一下去耦和旁路電容。這里就不得不忽略寄生參數(shù)的影響了，特別是高頻電路，相比于常規(guī)的電子電路，研究的就是寄生參數(shù)的影響。如果把電源輸出直至電路模塊整個(gè)系統(tǒng)納入考慮，電源輸出與電路模塊A之間的導(dǎo)線實(shí)際上就是寄生電感。

當(dāng)電路模塊A需要瞬態(tài)的電流時(shí)，電源模塊遠(yuǎn)水不解近渴，電容C2和電容C3就近快速響應(yīng)，稍晚些電源模塊的電量也會(huì)抵達(dá)，為電容C2和C3充電。

如果此刻，電路模塊A突然不需要這么大的電流了，那么導(dǎo)線上的寄生電感里的電流由于慣性還會(huì)繼續(xù)續(xù)流，過多的電流則造成了電壓尖峰的產(chǎn)生。

如上圖所示，電壓尖峰由寄生電感的感應(yīng)電動(dòng)勢疊加在電源電壓上引起。此時(shí)，導(dǎo)線的寄生電感分別與電容C2和C3組成了二階低通濾波器，衰減了進(jìn)入到電路模塊的噪音幅度，保證了安全。

如果電路模塊是主頻高速運(yùn)行于GHZ的SOC系統(tǒng)，則需要把更多、更全面的寄生參數(shù)納入考量，此刻電容的去耦電容和旁路電容的選值與選型不得不借助與仿真工具，然后這一塊的計(jì)算和分析被稱作電源平面完整性分析。有興趣的同學(xué)可自行延伸學(xué)習(xí)，本節(jié)課程不再展開。

總結(jié)一下去耦電容和旁路電容：旁路電容需要在電路模塊輸入端貼身擺放，為高頻噪音提供一條低阻抗的旁路，使噪音從旁路離開，這屬于“自我防護(hù)”；去耦電容需要盡量靠近電路模塊擺放，為相對(duì)低頻的噪音提供旁路，同時(shí)更關(guān)鍵的是為電路模塊就近提供瞬態(tài)的、快速的電流供給，同時(shí)消除因負(fù)載電流波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的電壓的影響，屬于“家丑不外揚(yáng)”。

貳

放大電路

前面詳細(xì)講解了電源路徑上的濾波器，濾波器除了被廣泛地應(yīng)用于電源端，信號(hào)線上也有廣泛的需求。

信號(hào)線上的濾波器和電源上的濾波器原理是一樣的，只是在器件選擇上考量的指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，電源上的濾波器必須承受一定的電流能力，會(huì)使用在低頻段呈現(xiàn)電感特性而高頻階段體現(xiàn)為電阻特性的磁珠和電容的組合。而信號(hào)線上的濾波器則沒有這樣的顧慮，所以信號(hào)線的濾波器，最常見的是RC濾波。信號(hào)線的濾波器，還被期望兼具信號(hào)放大的作用，因此有源濾波器的需求應(yīng)用而生。

下圖就是有源低通濾波器示意圖：