解讀用于通信系統(tǒng)的差分濾波器

當(dāng)涉及到通信系統(tǒng)時，差分電路總是可以 在單端電路上提供更好的性能。他們可以提供 更高的線性度，對共模干擾信號的抗擾度，以及 更多。然而，差分電路周圍往往有很多謎團(tuán)。 一些 RF 工程師認(rèn)為他們很難設(shè)計(jì)、測試和調(diào)試。這 差分濾波器似乎尤其如此。是時候揭開面紗了 關(guān)閉差分濾波器設(shè)計(jì)。

為此，我們將從通信系統(tǒng)接收鏈 IF 開始 舞臺過濾器。我們將看一些基本的過濾器鍵規(guī)范概念，一個 幾種常用的濾波器響應(yīng)，切比雪夫 1 型濾波器 應(yīng)用，以及如何從單端濾波器設(shè)計(jì)開始，然后轉(zhuǎn)移 即差分濾波器設(shè)計(jì)。我們還將研究差分濾波器 設(shè)計(jì)示例以及如何優(yōu)化差速器的幾點(diǎn) 電路PCB設(shè)計(jì)。

差分電路在RF信號鏈應(yīng)用中的優(yōu)勢

用戶使用差分電路可以獲得比 具有單端電路。在相同的電源電壓下，a 差分信號可以提供兩倍的幅度 單端信號。它還提供更好的線性度和信噪比性能

圖1.差分輸出幅度

差分電路相當(dāng)不受外部EMI和串?dāng)_的影響。 附近的信號。這是因?yàn)榻邮针妷杭颖?，而且?從理論上講，噪聲對緊密耦合走線的影響相等，從而抵消 彼此出來。

差分信號也往往產(chǎn)生較少的EMI。這是因?yàn)?信號電平（dV/dt 或 dI/dt）的變化會產(chǎn)生相反的磁場， 再次相互抵消。

差分信號可以抑制偶次諧波。這顯示在 以下示例中，連續(xù)波 （CW） 通過一個 增益階段。使用一個單端放大器時，輸出可以是 表示，如圖2、等式1和等式2所示。

圖2.單端放大器

使用一個差分放大器時，輸入和輸出顯示在 圖3和等式3、等式4、等式5和等式6。

圖3.差分放大器

理想情況下，輸出沒有任何偶次諧波，使 差分電路是通信系統(tǒng)的更好選擇。

過濾 器

過濾器規(guī)格

截止頻率、轉(zhuǎn)折頻率或斷路頻率是 能量流經(jīng)系統(tǒng)時系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 開始減少（衰減或反射）而不是通過。

圖4.3 dB 截止頻率點(diǎn)

帶內(nèi)紋波是通帶內(nèi)插入損耗的波動

圖5.帶內(nèi)紋波。

相位線性度是相移與頻率的直接比例 感興趣的頻率范圍。

圖6.相位線性度

群延遲是幅度包絡(luò) 通過被測器件的信號的各種正弦分量， 并且是每個組件的頻率的函數(shù)。

圖7.組延遲

過濾器比較

圖8.巴特沃斯濾波器 S21 響應(yīng)。

圖9.橢圓濾波器 S21 響應(yīng)

圖 10.貝塞爾濾波器 S21 響應(yīng)。

圖 11.切比雪夫 I 型過濾器 S21 響應(yīng)。

圖 12.切比雪夫II型濾波器S21響應(yīng)

通信接收鏈中的IF濾波器基本上是低通 濾波器或帶通濾波器。它用于抑制混疊信號 與有源組件產(chǎn)生的雜散。雜散包括諧波 和IMD產(chǎn)品等。使用過濾器，接收鏈可以 提供高SNR信號供ADC分析。

選擇切比雪夫 I 型濾波器作為拓?fù)?，因?yàn)樗哂?良好的帶內(nèi)平坦度、快速滾降，在 停止帶。

設(shè)計(jì)低通濾波器

由于接收器IF濾波器用于抑制雜散和混疊信號， 其阻帶滾降應(yīng)盡可能快。但是，滾降速度更快 意味著高階組件，高階有幾個原因 不建議進(jìn)行篩選：

在設(shè)計(jì)和調(diào)試階段難以調(diào)整。

量產(chǎn)難：電容器和電感器有零件間的差異，每個PCB板上的濾波器很難有相同的響應(yīng)。

電路板尺寸大

通常，使用七階或更低的濾波器。同時，如果更大 帶內(nèi)紋波不是相同階數(shù)分量的問題，那么 在停止波段中更快的滾降是一種支出。

然后，通過指定所需的衰減來定義所需的響應(yīng) 在選定的頻率點(diǎn)。

要確定通帶中的最大紋波量，請保留 規(guī)范到系統(tǒng)要求的最大限制。這可以 幫助在停止帶中更快地滾降。

使用濾波器軟件（如 MathCad、MATLAB 或 ADS）來設(shè)計(jì) 單端低通濾波器。??

或者，手動設(shè)計(jì)過濾器。一個有用的指南是射頻電路設(shè)計(jì) 作者：克里斯·博威克。

要確定濾波器的階數(shù)，請將感興趣的頻率歸一化為 將其除以濾波器的截止頻率。

例如，如果帶內(nèi)紋波需要為0.1 dB，則3 dB截止 頻率為 100 MHz。在 250 MHz 時，抑制需要為 28 dB，因此 頻率比為2.5。三階低通濾波器可以滿足這一要求。 如果濾波器的源阻抗為200Ω，則 濾波器也是200Ω，RS/RL為1——使用電容器作為第一元件。 然后，用戶收到規(guī)范化的 C1 = 1.433，L2 = 1.594，C3 = 1.433。 如果FC為100 MHz，則使用公式7和公式8獲得最終結(jié)果。

哪里：

C規(guī)模是最終的電容值。
L規(guī)模是最終電感值。
Cn是低通原型元素值。
Ln是低通原型元素值。
RL是最終負(fù)載電阻值。
fc是最終截止頻率。
C1規(guī)模= 1.433/（2π × 100 × 106 × 200） = 11.4 pF
L2規(guī)模= （1.594 × 200）/（2π × 100 × 106） = 507.4 nH
C3規(guī)模= 11.4 pF

電路如圖13所示。

圖 13.單端濾波器示例

將單端濾波器轉(zhuǎn)換為差分濾波器（見圖14）。

圖 14.將單端濾波器轉(zhuǎn)換為差分濾波器

使用每個組件的實(shí)際值，篩選器更新為 如圖 15 所示。

圖 15.最終差分濾波器

注意，如果混頻器或中頻放大器的輸出阻抗和 ADC的輸入阻抗是容性的，最好考慮使用一個 電容器作為第一個元件，電容器作為最后一個元件。 此外，調(diào)諧第一級電容器和最后級電容器也很重要 高于輸出電容的速率（至少0.5 pF）的值 混頻器或IF放大器的阻抗和ADC的輸入阻抗。 否則，很難調(diào)整濾波器響應(yīng)。

設(shè)計(jì)帶通濾波器

在通信系統(tǒng)中，當(dāng)中頻頻率相當(dāng)高時，有些低 頻率雜散需要濾除，例如半中頻雜散。為此， 設(shè)計(jì)帶通濾波器。對于帶通濾波器，沒有必要 對稱，用于低頻和高頻抑制。簡單的方法 設(shè)計(jì)帶通抗混疊濾波器就是先設(shè)計(jì)低通濾波器， 然后在 濾波器的最后級，用于限制低頻元件（并聯(lián)電感器） 是一個高通共振極點(diǎn)）。如果是單級，則高通電感不是 足夠了，再添加一個與第一級并聯(lián)的并聯(lián)電感器 電容，以獲得對低頻雜散的更多抑制。添加后 并聯(lián)電感，再次調(diào)諧所有組件以實(shí)現(xiàn)正確的帶外 拒絕規(guī)范，然后最終確定過濾器組件值。

請注意，一般來說，對于帶通濾波器，串行電容不是 建議使用，因?yàn)樗鼈儠黾诱{(diào)優(yōu)和調(diào)試難度。 電容值通常很小，并且受到以下因素的嚴(yán)重影響 寄生電容。

應(yīng)用示例

以下是ADL5201和AD6641之間的濾波器設(shè)計(jì)示例。 ADL5201是一款高性能中頻數(shù)控增益放大器 （DGA），專為基站真實(shí)中頻接收器應(yīng)用或 數(shù)字預(yù)失真 （DPD） 觀察路徑。它具有 30 dB 增益控制 范圍、極高的線性度（OIP3 達(dá)到 50 dBm）和電壓增益 約 20 分貝。AD6641是一款250 MHz帶寬DPD觀測器件 集成 12 位、500 MSPS ADC、16，000 × 12 FIFO 的接收器，以及 一個多模式后端，允許用戶通過 串行端口。此篩選器示例是一個 DPD 應(yīng)用程序。

以下是一些帶通濾波器規(guī)格，取自 真實(shí)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

中心頻率： 368.4 MHz

帶寬：240兆赫

輸入輸出阻抗：150Ω

帶內(nèi)紋波：0.2 dB

插入損耗：1 dB

帶外抑制：614.4 MHz 時為 30 dB

要構(gòu)建示例設(shè)計(jì)，請執(zhí)行以下操作：

1. 從單端低通濾波器設(shè)計(jì)開始（見圖16）。

圖 16.單端、低通濾波器

2.將單端濾波器改為差分濾波器。保留源 與負(fù)載阻抗相同，分流所有電容，并切斷所有串聯(lián) 電感器對半，并將它們放在另一個差分路徑中（見圖17）。

圖 17.具有理想元件的差分低通濾波器。

3. 以實(shí)際價值優(yōu)化組件的理想價值 （參見圖 18）。

圖 18.具有實(shí)際值的差分低通濾波器

4. 對于子系統(tǒng)級仿真，添加ADL5201 DGA S參數(shù) 文件，使用電壓控制電壓源對 濾波器輸出端的AD6641 ADC。更改低通濾波器 在帶通濾波器中，增加兩個并聯(lián)電感：L7 并聯(lián) C9 和 L8 與 C11 并行。C12代表AD6641輸入 電容。R3和R4是兩個負(fù)載電阻，位于 AD6641為負(fù)載濾波器。AD6641輸入為高阻抗。 調(diào)整后，請參見圖 19。

圖 19.差分帶通濾波器。

5. 理想元件的仿真結(jié)果如圖20所示。

圖 20.使用理想電感器濾波傳輸響應(yīng)。

6.將所有理想電感器更換為電感器S參數(shù)文件 目標(biāo)設(shè)備（例如，村田制作所LQW18A）。插入損耗 比使用理想電感器高一點(diǎn)。仿真結(jié)果 略有變化，如圖 21 所示。

圖 21.使用村田制作所LQW18A電感器的濾波器傳輸響應(yīng)。

差分濾波器布局注意事項(xiàng)

一對中的差分走線需要具有相等的長度。此規(guī)則起源于 從差分接收器檢測到負(fù)極位置的事實(shí)來看 正信號同時相互交叉——交叉 點(diǎn)。因此，信號同時到達(dá)接收器 操作正常。

差分對內(nèi)的走線需要彼此靠近布線。 如果 它們之間的距離為介電厚度的>2×。此外，此規(guī)則是 基于以下事實(shí)：因?yàn)椴罘中盘栂嗟炔⑶?相反，如果外部噪聲同樣干擾這些信號，則噪聲 無效。類似地，差分信號引起的任何不需要的噪聲 如果走線并排布線，則取消進(jìn)入相鄰導(dǎo)線。

差分對內(nèi)的跡線分離需要在其上保持恒定 整個長度。如果差分走線靠近布線，它們將 影響整體阻抗。如果不保持這種分離 驅(qū)動器到接收器，沿途存在阻抗不匹配， 導(dǎo)致反射。

使用較寬的對間間距以最大程度地減少對之間的串?dāng)_。

如果在同一層上使用銅填充，請?jiān)黾优c 銅填充的差分走線。最小間隙為跡線的 3× 建議從走線到銅填充的寬度。

通過引入小的、蜿蜒的 接近偏斜源的校正（參見圖 22）。

圖 22.使用蜿蜒的校正

布線差分對時避免急（90°）彎曲（見圖23）。

圖 23.避免 90° 彎曲

路由差分對時使用對稱路由（參見圖 24）。 如果需要測試點(diǎn)，請避免引入跟蹤存根并進(jìn)行測試 點(diǎn)對稱（參見圖 25）。

圖 24.對稱路由準(zhǔn)則

圖 25.避免跟蹤存根

在放寬過濾器組件值調(diào)優(yōu)工作負(fù)載方面 印刷電路板（PCB），保持寄生電容很重要 電感盡可能低。寄生電感可能不會 與濾波器中電感器的設(shè)計(jì)值相比，意義重大 設(shè)計(jì)。寄生電容對于差分IF濾波器更為關(guān)鍵。 中頻濾波器設(shè)計(jì)中的電容器只有幾皮法。如果寄生 電容達(dá)到十分之幾皮法，它會影響濾波器 反應(yīng)顯著。為了防止寄生電容，一個好的做法是 避免差分路由區(qū)域下的任何接地或電源層 和電源阻塞下。

差分濾波器PCB布局的一個示例是ADI接收器基準(zhǔn)電壓源 設(shè)計(jì)板（見圖 26）。這顯示了 ADL5201和AD6649。AD6649是一款14位、250 MHz流水線ADC 具有非常好的信噪比性能。

圖 26.差分電路PCB布局設(shè)計(jì)示例

更好地了解差分濾波器設(shè)計(jì)

差分電路為設(shè)計(jì)人員提供了一些顯著的優(yōu)勢。 也許使用它們的最大挑戰(zhàn)是簡單地超越 認(rèn)為它們很難設(shè)計(jì)、測試和糾正。一旦你拿了一個好 看看如何使用差分濾波器，你可能會發(fā)現(xiàn)自己有一個 用于射頻設(shè)計(jì)的寶貴新工具。

審核編輯：郭婷