Was ist ein LC-Filter?

Was ist ein LC-Filter?

Ein LC-Filter kombiniert Induktivitäten (L) und Kondensatoren (C), um Tiefpass-, Hochpass-, Multiplexer-, Bandpass- oder Bandsperr-Filterfunktionen in der Hochfrequenztechnik (HF) und vielen weiteren Anwendungen zu realisieren. Passive elektronische LC-Filter blockieren oder reduzieren Störungen (EMI) in Schaltungen und Systemen und dienen der Trennung oder Aufbereitung der gewünschten Nutzsignale.

Während ideale Filter die gewünschten Signalfrequenzen ohne Einfügedämpfung oder Verzerrung durchlassen und alle Signale im Sperrband vollständig blockieren würden, besitzen reale Filter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromwiderstände (AC). Diese tragen zur Einfügedämpfung bei und erfordern eine sorgfältige Bauteilauswahl. Die Bestimmung der exakten Bauteilwerte für eine bestimmte Anwendung setzt sowohl qualitativ hochwertige Komponenten als auch vollständige Spezifikationen und Leistungsmodelle voraus. Am einfachsten zu entwickeln und umzusetzen sind Tiefpass- und Hochpassfilter.

Die SMD-HF-Chip-Induktivitäten und Luftspulen von Coilcraft mit hoher Güte (High-Q) und engen Toleranzen helfen Ihnen, in all diesen LC-Filterkategorien Spitzenleistungen zu erzielen.

Wie entwickelt man LC-Filter?

Die Abstimmung (Filtertyp) bestimmt die Welligkeit des Frequenzgangs sowie die Steilheit der Dämpfungskurve (Cut-off). Es gibt viele verschiedene Filtertypen, darunter die am häufigsten genutzten Charakteristiken wie Butterworth, Bessel, Tschebyscheff und Cauer (elliptische Filter).

Der einfachste LC-Filter besteht aus einer Induktivität und einem Kondensator. Filter höherer Ordnung nutzen mehr Bauteile, um ein steileres und ausgeprägteres Abfallverhalten bei der Dämpfung unerwünschter Störungen zu erzielen. Elliptische Filter (Cauer-Filter) bieten beispielsweise den steilsten Übergang und reagieren am wenigsten empfindlich auf Bauteiltoleranzen. Der Kompromiss dabei ist eine höhere Welligkeit (Ripple) im Durchlass- und Sperrbereich elliptischer LC-Filter.

Weitere Details zu den verschiedenen Filtercharakteristiken finden Sie in Anhang A dieser Applikationsschrift.

Moderne Schaltungssynthese- und Analyseprogramme können die ansonsten mühsamen und zeitaufwendigen Berechnungen für die Entwicklung von LC-Filtern schnell durchführen. Filtersynthese-Programme generieren die erforderlichen Werte für Induktivität (L) und Kapazität (C). Analyseprogramme simulieren die Ergebnisse, nachdem der Anwender die entsprechenden Werte eingegeben hat. Sobald die initialen idealen Werte berechnet wurden, werden mithilfe von Standardbauteilen praxisnahe Lösungen entwickelt.

Idealerweise müsste man lediglich den zu übertragenden und den zu blockierenden Frequenzbereich definieren, und ein Programm würde Standard-Bauteilwerte generieren, die exakt der tatsächlichen Leistung auf der Leiterplatte entsprechen. In der Realität beginnt die Entwicklung eines passiven LC-Filters mit Berechnungen, woraufhin ein iterativer Optimierungsprozess erforderlich ist, um die reale Leistung an die geforderten Spezifikationen anzupassen. Um die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Genauigkeit der Designberechnungen zu verbessern, stehen Modelle realer Induktivitäten zur Verfügung.

Für viele Designs sind präzise Induktivitätsmodelle erforderlich, die auf tatsächlichen Bauteilmessungen basieren, während für die Simulation ideale Kondensatoren verwendet werden können. Simulationen von Filtern nahe dem Gigahertz-Bereich erfordern unter Umständen jedoch auch nicht-ideale Kondensatormodelle.

Kostenlose Programme zur Erstellung grundlegender LC-Filter-Designs sind verfügbar. Die Software „LC Low Pass Filter Designer“ von Coilcraft (by Nuhertz) nutzt auf realen Messungen basierende S-Parameter-Modelle der Induktivitäten für optimierte Filtersimulationen.

Wie entwickelt man Tiefpassfilter mit der Coilcraft LC Filter Designer Software (Nuhertz Technologies FilterSolutions®)?

Mit der Coilcraft LC Filter Designer Software können Sie:

• elliptische Tiefpassfilter entwickeln,
• Filter mit 3, 5 oder 7 Polen auswählen,
• reale Messdaten von Coilcraft-Induktivitäten verwenden,
• S-Parameter-Analysen durchführen,
• mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω arbeiten,
• kostenlose Muster von Coilcraft-Induktivitäten direkt aus der Software anfordern.

Diese Simulationen liefern für viele Anwendungen sehr gute Ergebnisse. Es ist jedoch zu beachten, dass parasitäre Eigenschaften der Leiterplatte (PCB-Parasitics) nicht berücksichtigt werden. Diese beeinflussen die tatsächliche Grenzfrequenz der auf einer Leiterplatte montierten Komponenten.

Die von Simulationsprogrammen berechneten idealen Bauteilwerte stellen einen guten Ausgangspunkt für das Filterdesign dar. Werden jedoch parasitäre Effekte der Bauteile und der Leiterplatte ignoriert, können erhebliche Abweichungen zwischen Simulation und realem Verhalten auftreten. Insbesondere bei Filtern mit hohen Grenzfrequenzen kann dies einen zeitaufwendigen Optimierungsprozess erforderlich machen.

Für leistungsstarke Designbeispiele, die sowohl Bauteilparasitics als auch Wechselwirkungen zwischen Komponenten auf keramischen Leiterplatten berücksichtigen, empfiehlt Coilcraft die folgenden LC-Filter-Referenzdesigns.

Entwicklung von Tiefpass- und Hochpassfiltern mit den Coilcraft LC-Filter-Referenzdesigns

Diese Referenzdesigns umfassen Butterworth-Tiefpass- und Hochpassfilter 3. Ordnung sowie elliptische Filter 7. Ordnung und demonstrieren die hohe Performance, die mit Coilcraft-Induktivitäten und Standardkondensatoren erzielt werden kann.

Die Referenzdesigns der Tiefpassfilter 3. Ordnung decken Grenzfrequenzen von 3 MHz bis 3 GHz ab. Für Hochpassfilter mit drei Polen sind Grenzfrequenzen zwischen 15 MHz und 900 MHz verfügbar.

Im Vergleich zu Butterworth-Filtern weisen elliptische Filter eine gleichmäßige Welligkeit sowohl im Durchlass- als auch im Sperrbereich auf. Gleichzeitig bieten sie bei gleicher Filterordnung den schnellsten Übergang zwischen Durchlass- und Sperrbereich.

Coilcraft bietet elliptische Referenzdesigns 7. Ordnung mit einer Einfügedämpfung von weniger als 0,3 dB bei einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω an. Diese Designs verwenden die standardmäßig verfügbaren 1812LS-Ferrit-Chipinduktivitäten von Coilcraft mit Toleranzen von bis zu ±5 %. Die elliptischen Tiefpassfilter 7. Ordnung bieten eine steile Flankensteilheit von 80 dB/Dekade sowie Grenzfrequenzen von 0,3 MHz bis 500 MHz.

Die LC-Filter-Referenzdesigns von Coilcraft sparen Entwicklungszeit, reduzieren den Aufwand und helfen dabei, die passenden Komponenten auszuwählen, die reale Performance mit den Berechnungen zu vergleichen und die gewünschten Ergebnisse schneller zu erreichen.

In welchen Anwendungen werden LC-Filter eingesetzt?

LC-Tiefpass- und LC-Hochpassfilter werden in zahlreichen allgemeinen Filteranwendungen eingesetzt, um unerwünschte Frequenzen zu unterdrücken und die Anforderungen an EMV (EMC) beziehungsweise EMI zu erfüllen.

Darüber hinaus kommen sie in den folgenden speziellen Anwendungen zum Einsatz:

Referenzdesign für einen elliptischen Filter 9. Ordnung für MoCA®-Anwendungen

Dieses Referenzdesign eines elliptischen Filters 9. Ordnung für MoCA®-Anwendungen zeigt ein praxisnahes Beispiel eines hochordentlichen Filters mit besonders steiler Grenzfrequenz unter Verwendung von Coilcraft RF-Luftspulen.

Die in diesem Design eingesetzten Coilcraft Micro Spring™ Luftspulen liefern die hohe Performance, die für MoCA-Filter erforderlich ist. Die Kombination aus geeigneten Induktivitätswerten und hervorragenden elektrischen Eigenschaften macht diese standardmäßig verfügbaren Induktivitäten ideal für den Einsatz in Set-Top-Boxen und Kabelmodems. Dank Toleranzen von bis zu ±1 % ist ein nachträgliches Abgleichen der Filter nicht mehr erforderlich.

Class-D-Verstärker

Um die EMV-Anforderungen bei Class-D-Verstärkern mit einer Ausgangsleistung von mehr als 10 W zu erfüllen, wird am Ausgang des Verstärkers ein LC-Filter eingesetzt. Dieser glättet die durch das Schalten entstehenden Stromwelligkeiten. Dual-Induktivitäten kombinieren zwei Class-D-Induktivitäten in einem einzigen Gehäuse und ermöglichen dadurch eine besonders kompakte Bauform. Hochtemperaturfeste AEC-Q200 Grade 1 Class-D-Dual-Induktivitäten eignen sich besonders für die anspruchsvollen Bedingungen in Automobilanwendungen.

Diese Class-D-Induktivitäten von Coilcraft wurden speziell für Anwendungen mit Leistungen von bis zu 100 W entwickelt.