當(dāng)涉及到通信系統(tǒng)時(shí)，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(duì)共模干擾信號(hào)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(shí)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(tái)過濾器。我們將看一些基本的過濾器鍵規(guī)范概念，一個(gè) 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(hào)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(hào)可以提供兩倍的幅度 單端信號(hào)。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(hào)。這是因?yàn)榻邮针妷杭颖?，而且?從理論上講，噪聲對(duì)緊密耦合走線的影響相等，從而抵消 彼此出來。

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

差分信號(hào)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(gè) 增益階段。使用一個(gè)單端放大器時(shí)，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(gè)差分放大器時(shí)，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(shí)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(dòng)

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(hào)的各種正弦分量， 并且是每個(gè)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(hào) 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(hào)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(hào)， 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(gè)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(gè)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(shí)，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(qǐng)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(dòng)設(shè)計(jì)過濾器。一個(gè)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(qǐng)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(shí)，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(gè)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(gè) 電容器作為第一個(gè)元件，電容器作為最后一個(gè)元件。 此外，調(diào)諧第一級(jí)電容器和最后級(jí)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(shí)，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(duì)于帶通濾波器，沒有必要 對(duì)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(jí)，用于限制低頻元件（并聯(lián)電感器） 是一個(gè)高通共振極點(diǎn)）。如果是單級(jí)，則高通電感不是 足夠了，再添加一個(gè)與第一級(jí)并聯(lián)的并聯(lián)電感器 電容，以獲得對(duì)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(qǐng)注意，一般來說，對(duì)于帶通濾波器，串行電容不是 建議使用，因?yàn)樗鼈儠?huì)增加調(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(gè)多模式后端，允許用戶通過 串行端口。此篩選器示例是一個(gè) 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(shí)為 30 dB

要構(gòu)建示例設(shè)計(jì)，請(qǐng)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(duì)半，并將它們放在另一個(gè)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(jià)值優(yōu)化組件的理想價(jià)值 （參見圖 18）。

圖 18.具有實(shí)際值的差分低通濾波器

4. 對(duì)于子系統(tǒng)級(jí)仿真，添加ADL5201 DGA S參數(shù) 文件，使用電壓控制電壓源對(duì) 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(gè)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(gè)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(qǐng)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(duì)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(hào)同時(shí)相互交叉——交叉 點(diǎn)。因此，信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收器 操作正常。

差分對(duì)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?hào)相等并且 相反，如果外部噪聲同樣干擾這些信號(hào)，則噪聲 無效。類似地，差分信號(hào)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(duì)內(nèi)的跡線分離需要在其上保持恒定 整個(gè)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(dòng)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(duì)間間距以最大程度地減少對(duì)之間的串?dāng)_。

如果在同一層上使用銅填充，請(qǐng)?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(duì)時(shí)避免急（90°）彎曲（見圖23）。

圖 23.避免 90° 彎曲

路由差分對(duì)時(shí)使用對(duì)稱路由（參見圖 24）。 如果需要測試點(diǎn)，請(qǐng)避免引入跟蹤存根并進(jìn)行測試 點(diǎn)對(duì)稱（參見圖 25）。

圖 24.對(duì)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(huì) 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(duì)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(huì)影響濾波器 反應(yīng)顯著。為了防止寄生電容，一個(gè)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(gè)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(gè)好 看看如何使用差分濾波器，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己有一個(gè) 用于射頻設(shè)計(jì)的寶貴新工具。

審核編輯：郭婷