硬件设计精粹·基于三极管的电子滤波器设计

【任务】为了得到低纹波的直流电压,通常的做法是使用RC滤波、LC滤波及其相应地Π滤波,但使用电容或电感滤波有以下缺点:体积大、漏电流大、器件离散性大,滤波效果并不会随着电容量或电感量的增大而显著增大,会存在滤波瓶颈或引入额外的分布参数。在不增大电容量的情况下,试设计一个基于三极管的电子滤波器对直流电压(以+5V为例)进行滤波。

【构思】构思的起点是如下的电容滤波电路:

现在,我们的目标是通过一个三极管将电容C1的滤波效果增大到βC1倍(β为三极管的放大倍数)。显然,只有将三极管的C、E极接入电路主回路才能通过大电流到负载RL(以NPN管为例,因此C极必须接+5V电源端):

上面的三极管是无法导通的,必须使基极正偏才能导通,导通程度与基极电流有关,基极电流越大,导通程度越深,直至饱和。于是,我们想到在在+5V电源与基极之间接一个电阻:

但是,新的问题来了:上面的电路并没有将滤波效果放大β倍,只是对负载电流进行了截流控制。如果C1对+5V滤波不够彻底(超过了设计要求的最小纹波),那么剩余的纹波将通过R1进入三极管的基极,被放大β倍后送给负载,反而成了纹波放大器,违背了设计任务的要求。因此,我们必须额外增加一个电容C2,将Q1基极的纹波“引流”到地(利用电容特性:通交流,阻直流;通高频,阻低频):

上面的电路将+5V中的直流成分的大部分通过CE送给负载RL,只有很少的直流成分送给Q1基极,而相应地“压制”了交流成分,直流放大了β倍,相当于反过来说将交流成分抑制到1/β,这可等效为接了一个βC1的电容(β大多在50到2,3百)。尽管相当于“放大”了电容,但这与采用纯粹的大电容滤波形成的效果是截然不同的:大电容意味着大的漏电流,大的上电冲击,而基于三极管的电子滤波器不存在这些问题,因为三极管没有电容那么大的漏电流,而且由于结电容的存在,对上电冲击电流有一定的缓冲作用。

我们还可以优化上面的电路,在负载前端增加小容量的瓷片电容(通常不大于100nF),进一步滤除高频信号:

【计算】为计算方便,假定β=100,RL“吃”电流200mA,为使Q1的CE间压降尽量小,我们可以使基极电流IB为临界放大电流的1.5~2倍(为计算方便,我取2倍):

IB=2IC/β≈2IE/β=2IL/β=2*200/100=4mA,

R1=(5-0.7)/IB=4.3/4≈1k (0.7为三极管BE压降)。

因为负载电流为200mA,我们根据滤波经验公式:2000uF/A或2uF/mA,可得C1=2*200=400uF(取标准系列的470uF电解电容)。

因为大部分直流纹波的频率约为f=300kHz,为将C2的容抗限制在1Ω以内(接近于容抗接地,增强滤波效果),即1/(2πfC2)≤1,C2≥1/(2*π*300k)≈53uF(取标准系列的68uF)。

查三极管选型手册,看到S9013型三极管最大集电极电流Icm=400mA,相较于本案例的负载电流(200mA)有一倍余量,而放大倍数在64~202之间(可筛选出接近100的管子),最后确定选用S9013管。

确定参数的电路如下图:

【说明】上面的电路可能会使送给负载的+5V有压损,因此负载前端可增加稳压环节,比如简单的稳压二极管稳压,三端稳压器稳压,LDO稳压等,这里从略。

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