就通信系统而言，差分通道总能在单端电路上提供更好的性能。它们可以提供更高的线性度、抗共模干扰信号等。然而，围绕差异通道往往有许多谜团。一些射频工程师认为他们很难设计、测试和调试。这种差分滤波器似乎尤其正确。是时候揭开面纱，关闭差分滤镜设计了。
为此，我们将从通信系统接收链IF启动级滤波器。我们将了解一些基本的滤波器关键技术指标概念、一些常用的滤波器响应、切比雪夫1滤波器应用，以及如何从单端滤波器设计开始，然后转向差分滤波器设计。我们还将研究差分滤波器的设计示例，以及如何优化差分的PCB设计。
差分通道在射频信号链应用中的优势
与单端电路相比，用户可以通过差分通道获得更好的性能。在相同的电源电压下，A差分信号可以提供两倍幅度的单端信号。它还提供更好的线性度和SNR性能。
图一。差分输出幅度
差分通道完全不受外部EMI和串扰的影响。附近的信号。这是因为接收电压加倍，理论上，噪声对紧密耦合走线的影响相等，从而相互抵消。
差分信号也倾向于产生较少的EMI。这是因为信号电平(dV/dt或dI/dt)的变化会产生相反的磁场，这些磁场会再次相互抵消。
差分信号可以抑制偶次谐波。如下例所示，连续波(CW)通过一个增益级。使用单端放大器时，输出可以是一个表示，如图2、等式1和等式2。
图二。单端放大器
使用差分放大器时，输入和输出如图3和等式所示3、等式4、等式5和等式6。
图3。差分放大器
理想情况下，输出没有任何偶次谐波，这使得差分通道成为通信系统的更好选择。
过滤器
过滤器规格
截止频率、关断频率或截止频率是指当能量流经系统时，系统的频率响应开始降低(衰减或反射)而不是通过。
图4.3 dB截止频率点
带内纹波是通带内插入损耗的波动。
图5。带内纹波。
相位线性度是目标频率范围内相移与频率的正比。
图6。相位线性
群延迟是信号的各种正弦分量，其幅度包络通过被测器件，并且是各分量频率的函数。
图7。群时延
过滤器比较
S21响应优缺点巴特沃兹参见图8。通带平坦度非常好。椭圆在阻带中缓慢滚动。参见图9。它在阻带中滚动得非常快。通带和阻带中都有平衡的纹波。这将影响阻带抑制性能。贝塞尔，见图10。最大平坦群/相位延迟非常缓慢地停止带内滚降。参见图11，切比雪夫I型在阻带内快速滚降。阻带没有平衡纹波，但通带有平衡纹波。切比雪夫II参见图12。通带内无纹波不会很快滚降。均衡阻带中的纹波
图8。巴特沃兹滤波器S21的响应。
图9。椭圆滤波器S21的响应
图10。贝塞尔滤波器S21的响应。
图11。切比雪夫I滤波器S21的响应。
图12。切比雪夫II滤波器S21的响应
通信接收链中的IF滤波器基本上是低通滤波器或带通滤波器。用于抑制混叠信号和有源元件产生的杂散。杂散包括谐波和IMD产物。利用滤波器，接收链可以为ADC分析提供高信噪比信号。
选择Chebyshev I滤波器作为拓扑结构，因为它具有良好的带内平坦度和快速滚降。
设计一个低通滤波器
由于接收机中频滤波器用于抑制杂散和混叠信号，其阻带应尽可能快地滚降。然而，更快的滚降意味着更高阶的元件，出于几个原因，不建议进行筛选：
在设计调试阶段很难调整。
量产难度：电容和电感互不相同，每个PCB上的滤波器很难有相同的响应。
大电路板尺寸
通常使用七阶或更低的滤波器。同时，如果较大的带内纹波不是同阶分量的问题，那么阻带中更快的滚降就是一种开销。
然后，通过指定所需的衰减，在选定的频率点定义所需的响应。
要确定通带中的最大纹波，请将规格保持在系统要求的最大限值。这有助于在停止带中更快地滚下。
使用滤波器软件(如MathCad、MATLAB或ADS)设计单端低通滤波器。
或者，手动设计过滤器。Chris Bowick的《RF电路设计》是一个有用的指南。
要确定滤波器的阶数，请归一化目标频率，将其除以滤波器的截止频率。
例如，如果带内纹波需要为0.1 dB，则3 dB截止频率为100 MHz。在250 MHz时，抑制需要为28 dB，因此频率比为2.5。三阶低通滤波器可以满足这一要求。如果滤波器的源阻抗为200，则滤波器也为200，RS/RL为13354。电容器被用作第一元件。然后，用户得到归一化的C1=1.433，L2=1.594，C3=1.433。如果FC为100 MHz，则利用公式7和公式8获得最终结果。
其中：
c刻度是最终的电容值。l刻度是最终电感值。Cn是低通原型元件值。Ln是低通原型元件值。RL是最终负载电阻值。Fc是最终截止频率。C1标度=1.433/(2100106200)=11.4 pf L2标度=(1.594200)/(2100106)=507.4 nhc 3标度=11.4 pf。
电路如图13所示。
图13。单端滤波器示例
将单端滤波器转换为差分滤波器(见图14)。
图14。将单端滤波器转换为差分滤波器
使用每个分量的实际值，滤波器被更新，如图15所示。
图15。最终差分滤波器
注意，如果混频器或中频放大器的输出阻抗和ADC的输入阻抗是容性的，最好考虑使用一个电容作为第一个元件，一个电容作为最后一个元件。此外，调谐第一级电容和最后一级电容也很重要，它们高于输出电容的值(至少0.5 pF)、混频器或中频放大器的阻抗以及ADC的输入阻抗。否则，很难调整滤波器响应。
设计一个带通滤波器
在通信系统中，当中频相当高时，需要滤除一些低频杂散，比如半中频杂散。为此，设计了带通滤波器。对于带通滤波器，不需要对称性，用于低频和高频抑制。设计带通抗混叠滤波器的一个简单方法是先设计一个低通滤波器，然后在滤波器的最后一级，用来限制低频分量(并联电感)为高通谐振极点)。如果是单级，高通电感不够，与第一级并联增加一个并联电感电容，获得更多的低频杂散抑制。添加分流电感，再次调整所有元件以实现正确的带外抑制规格，然后最终确定滤波器元件值。
请注意，一般来说，对于带通滤波器，不建议使用串联电容，因为这样会增加调谐和调试的难度。电容值通常很小，寄生电容受到以下因素的严重影响。
应用示例
以下是ADL5201与AD6641之间的滤波器设计示例。ADL5201是一款高性能中频数字控制增益放大器(DGA)，专为基站或数字预失真(DPD)观测路径中的实际中频接收机应用而设计。它的增益控制范围为30 dB，线性度极高(OIP3达到50 dBm)，电压增益约为20 dB。AD6641是一款250 MHz DPD观测器件，集成一个12位、500 MSPS ADC、一个16，000 12 FIFO接收器和一个多模式后端，允许用户通过一个串行端口。这个过滤器示例是一个DPD应用程序。
以下是一些带通滤波器规格，摘自实际通信系统设计：
中心频率：368.4兆赫
带宽：240 MHz
输入和输出阻抗：150
带内纹波：0.2 dB
插入损耗：1分贝
带外抑制：614.4 MHz时为30 dB。
要构建示例设计，请执行以下操作：
1.从单端低通滤波器的设计开始(见图16)。
图16。单端低通滤波器
2.将单端滤波器改为差分滤波器。保持源阻抗和负载阻抗不变，分流所有电容，切断所有串联电感的一半，并将其置于另一个差分路径中(见图17)。
图17。具有理想元件的差分低通滤波器。
3.用实际值优化元件的理想值(见图18)。
图18。具有实际值的差分低通滤波器
4.对于子系统级仿真，增加了ADL5201 DGA的参数文件，电压源用于在滤波器输出端控制AD6641 ADC。改变带通滤波器中的低通滤波器，增加两个并联电感：L7并联C9，L8并联C11。C12代表AD6641的输入电容。R3和R4是两个负载电阻，AD6641是负载滤波器。AD6641的输入为高阻抗。调整后，请参考图19。
图19。差分带通滤波器。
5.理想元件的仿真结果如图20所示。
图20。使用理想电感对传输响应进行滤波。
6.将所有理想电感替换为电感S参数文件的目标器件(例如村田制作所的LQW18A)。插入损耗比使用理想电感略高。模拟结果略有变化，如图21所示。
图21。使用村田公司生产的LQW18A电感对传输响应进行滤波。
差分滤波器布局注意事项
一对差分走线需要长度相等。该规则源于正信号同时彼此交叉的事实，源于差分接收器检测负电极的位置的事实。因此，信号同时到达接收器并正常工作。
差分对中的走线需要彼此靠近布线。如果它们之间的距离是电介质厚度的2倍。此外，该规则基于以下事实：由于差分信号是相等的，相反，如果外部噪声也干扰这些信号，则噪声是无效的。类似地，如果导线并排布线，则由差分信号引起的任何不必要的噪声都不会进入相邻的导线。
差分对中的走线间距需要保持恒定的总长度。如果差分走线靠近布线，它们会影响整体阻抗。如果不把这个驱动器和接收器分开，沿途会有阻抗不匹配，产生反射。
使用更宽的线对间距，将线对间的串扰降至最低。
如果在同一层上使用铜填充，请增加铜填充的差分迹线。从走线到铜填充的最小间隙是推荐宽度的3倍。
通过引入一种小而曲折的方法来校正偏斜源(见图22)。
图22。使用弯曲校正
布线差分对准时避免急剧(90)弯曲(见图23)。
图23。避免90弯曲
对称布线用于差分对布线(见图24)。如果需要测试点，请避免引入走线短截线，并使测试点对称(见图25)。
图24。对称路由标准
图25。避免跟踪存根
就放宽滤波器元件值和优化工作负载而言，印刷电路板(PCB)必须保持尽可能低的寄生电容。与滤波器中电感器的设计值相比，寄生电感可能不显著。寄生电容对差分中频滤波器来说更为重要。中频滤波器设计中的电容只有几皮法。如果寄生电容达到零点几皮法，它将显著影响滤波器响应。为了防止寄生电容，最好避免差分布线区域下方的任何接地或电源层和电源阻塞。
ADI接收机参考设计板就是一个差分滤波器PCB布局的例子(见图26)。这是ADL5201和AD6649。AD6649是一款14位、250 MHz流水线型ADC，具有出色的信噪比性能。
图26。差分通道PCB布局设计实例
更好地理解差分滤波器设计
差异通道为设计者提供了一些显著的优势。也许使用它们的最大挑战就是不要认为它们很难设计、测试和纠正。一旦你很好地了解了如何使用差分滤波器，你可能会发现自己拥有了一个宝贵的RF设计新工具。
审计郭婷
标签：滤波器差分图