通信系統(tǒng)中接收鏈的差分濾波器設計(上)

簡介      RF工程師在設計中常常會看到單端50 Ω系統(tǒng)。某些人 認為，差分電路很難設計、測試和調試。另一方面，為了提 高性能，通信系統(tǒng)常常要應用差分系統(tǒng)，尤其是IF級中。在 這些困難中，差分濾波器是一個關鍵問題。本應用筆記介紹 基本濾波器的一些重要規(guī)格概念、幾類常用濾波器的響應和 切比雪夫1型濾波器應用，并且逐步說明如何將單端濾波器 設計轉化為差分濾波器設計。本應用筆記提供了一個差分濾 波器設計示例，并討論了關于如何優(yōu)化差分電路PCB設計的 若干要點。1 差分電路優(yōu)點本部分討論RF信號鏈應用中差分電路相對于單端電路 的優(yōu)點。用戶利用差分電路可以達到比利用單端電路更高的信 號幅度。在相同電源電壓下，差分信號可提供兩倍于單端信 號的幅度，以及更好的線性度和SNR性能。差分電路對外部EMI和附近信號的串擾具有很好的抗擾性。這是因為接收電壓加倍，噪聲對緊密耦合走線的影響在 理論上是相同的，因而它們彼此抵消。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/344708.htm

圖1   差分輸出幅度差分信號產生的EMI往往也較低。這是因為信號電平的變化（dV/dt或dI/dt）產生相反的磁場，再次相互抵消。差分信號可抑制偶數階諧波。例如，讓連續(xù)波(CW)通 過一個增益級。若使用一個單端放大器，如圖2所示，輸出可表示為公式1和公式2。

其中?表示該序列一直進行下去。若使用一個差分放大器，則輸入和輸出如圖3所示，表 示為公式3、公式4、公式5和公式6。

其中?表示該序列一直進行下去。

理想情況下，輸出沒有任何偶數階諧波。因此，在通信系統(tǒng)中，為了實現更好的性能，差分電 路是首選。

圖2  單端放大器    

圖3  差分放大器2 濾波器2.1 濾波器規(guī)格截止頻率、轉折頻率或拐點頻率是系統(tǒng)頻率響應的邊 界，此時流經系統(tǒng)的能量開始減少（衰減或反射），而不是 自由通過。帶內紋波指通帶內插入損耗的波動。相位線性度指相移與目標頻率范圍內的頻率成比例的 程度。群延遲衡量一個穿過受測器件的信號的各種正弦成分 幅度包絡的時間延遲，它與各成分的頻率相關。3  濾波器比較

圖4   3 dB截止頻率點

圖5   帶內紋波

圖6  相位線性度

圖7   群延遲        

圖8  巴特沃茲濾波器S21響應

圖9  橢圓濾波器S21響應通信接收鏈中設計的IF濾波器基本上是低通濾波器或帶通濾波器，用于抑制混疊信號以及有源器件產生的雜散。 這些雜散包括諧波和IMD產物等成分。利用該濾波器，接收 鏈可提供干凈且具有良好SNR的信號供ADC分析。切 比 雪 夫 I 型 濾 波 器 具 有 良 好 的帶內平坦度，阻帶內滾降迅速且無均衡紋波，因而選擇它作為拓撲 結構。4 低通濾波器設計接收IF濾波器用于抑制雜散和混疊信號，因此阻帶滾 降越快越好，但更快的滾降意味著要使用更高階器件。盡管 如此，但不推薦使用高階濾波器，原因如下：? 在設計和調試階段調諧困難。? 量產困難，因為電容間和電感間存在差異，各PCB上 的濾波器難以具有相同的響應。? PCB尺寸較大。一般使用七階或更低階的濾波器。另一方面，當器件 的階數相同時，若更大的帶內紋波不是問題，則可以選用更 快的阻帶滾降。所需的響應通過指定選定頻率點需要的衰減來定義。

圖10  貝塞爾濾波器S21響應          

圖11  切比雪夫I型濾波器S21響應

圖12  切比雪夫II型濾波器S21響應

圖13  單端濾波器示例      

圖14  單端濾波器轉化為差分濾波器

圖15  最終差分濾波器為了確定通帶中的最大紋波量，應使該規(guī)格等于系統(tǒng)要求的最大限值，這樣有助于獲得更快的阻帶滾降。使用低成本濾波器軟件， 如MathCad?、 MATL AB?或ADS來設計單端低通濾波器?；蛘呤謩釉O計濾波器。Chris Bowick所著《RF電路設 計》提供了很有用的指南。為了確定濾波器的階數，應將目標頻率除以濾波器的 截止頻率，使其歸一化。

例如， 若要求帶內紋波為0.1 dB， 則3 dB截止頻率為100 MHz。在250  MHz時，要求抑制性能為28 dB，頻率比 為2.5。三階低通濾波器可滿足這一要求。如果濾波器的源阻抗為200 Ω，濾波器的負載阻抗也是200 Ω，則RS/RL為1； 使用電容作為第一元件。 這樣用戶獲得歸一化的C1 =1.433，L2 = 1.594，C3 = 1.433；fc為100 MHz，使用公式7和 公式8獲得最終結果：

圖16   采用理想電感的濾波器傳輸響應    

圖17   采用Murata LQW18A電感的濾波器傳輸響應其中：CSCALED 為最終電容值。 LSCALED 為最終電感值。 Cn 為低通原型元件值。 Ln 為低通原型元件值。 RL 為最終負載電阻值。 fc 為最終截止頻率。C1SCALED = 1.433/(2π × 100 × 10 × 200) = 11.4 pFL2SCALED = (1.594 × 200)/(2π × 100 × 10 ) = 507.4 nHC3SCALED = 11.4 pF電路如圖13所示。將單端濾波器轉化為差分濾波器（參見圖14）。對各元件使用實際值，更新后的濾波器如 圖15所示。注意， 如果混頻器或IF放大器的輸出阻抗 以及ADC的輸入阻抗為容性，則考慮使用電容 作為第一元件和最后元件會更好。另外，第一電 容和最后電容的容值調諧速率（至少0.5 pF）必 須高于混頻器或IF放大器的輸出阻抗以及ADC輸 入阻抗的容值。否則，調諧濾波器響應將非常困難。 （未完待續(xù)）

關鍵詞： 接收鏈 濾波器