详细解析差分滤波器：性能原理应用电路图设计

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　　当提到通信系统时，比起单端电路，差分电路总是能提供更加优良的性能。它们具有更高的线性度、抗共模干扰信号性能等。但是，相比较单端50欧姆系统，差分电路显得更神秘一些。某些RF工程师认为很难设计、测试和调试它们，对于差分滤波器尤其如此。是时候揭开差分滤波器设计的神秘面纱了。

　 RF信号链应用中差分电路的优点

　　原理：用户利用差分电路可以达到比利用单端电路更高的信号幅度。在相同电源电压下，差分信号可提供两倍于单端信号的幅度，它还能提供更好的线性度和SNR性能。

　　图1.差分输出振幅

　 差分滤波器工作原理

差分电路对外部EMI和附近信号的串扰具有很好的抗扰性。这是因为接收的有用信号电压加倍，噪声对紧密耦合走线的影响在理论上是相同的，它们彼此抵消。差分信号产生的EMI往往也较低。这是因为信号电平的变化（dV/dt或dI/dt）产生相反的磁场，再次相互抵消。

　　差分信号可抑制偶数阶谐波。以下展示了连续波（CW）通过一个增益模块的示例。当使用一个单端放大器时，如图2所示，输出可表示为公式1和公式2。

　　图2.单端放大器

　　当使用一个差分放大器时，输入和输出如图3所示，表示为公式3、公式4、公式5和公式6

　　图3.差分放大器

　　理想情况下，输出没有任何偶数阶谐波，使得差分电路成为通信系统一个更好的选择。

　　理解和设计通信系统中的差分滤波器

　　截止频率、转折频率或拐点频率是系统频率响应的边界，此时流经系统的能量开始减少（衰减或反射），而不是自由通过。

差分滤波器性能

　　图4.3 dB截止频率点

　　带内纹波指通带内插入损耗的波动。

　　图5.带内纹波

　　相位线性度指相移与目标频率范围内的频率成比例的程度。

　　图6.相位线性度

　　群延时衡量一个穿过受测器件的信号的各种正弦成分幅度包络的时间延迟，它与各成分的频率相关。

　　图7.群延时

　　表1.滤波器比较

　　图8.巴特沃兹滤波器S21响应

　　图9.椭圆滤波器S21响应

　　图10.贝塞尔滤波器S21响应

　　图11.切比雪夫I型滤波器S21响应

　　图12.切比雪夫II型滤波器S21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，它用于抑制混叠信号以及有源器件产生的杂散，包括谐波和IMD产物等。利用该滤波器，接收链可提供高SNR的信号供ADC分析。

　　切比雪夫I型滤波器具有良好的带内平坦度，阻带内滚降迅速且无均衡纹波响应，因而选择它作为拓扑结构。

　　低通滤波器设计

　　由于接收机IF滤波器用于抑制杂散和混叠信号，因此阻带滚降越快越好，但更快的滚降意味着要使用更高阶器件。一般不推荐采用很高阶的滤波器，原因如下：

　　在设计和调试阶段调谐困难。

　　量产困难：电容间和电感间存在差异，会造成每块PCB板上的滤波器难以具有相同的响应。

　　PCB尺寸较大。

　　一般使用七阶或更低阶的滤波器。同时，当器件的阶数相同时，若能承受更大的带内纹波，则可以选用更快的阻带滚降，然后所需的响应通过指定选定频率点需要的衰减来定义。为了确定通带中的最大纹波量，应使该规格等于系统要求的最大限值，这样有助于获得更快的阻带滚降。

　　为了确定滤波器的阶数，应将目标频率除以滤波器的截止频率，使其归一化。例如，若要求带内纹波为0.1 dB，3dB截止频率为100MHz。在250MHz时，要求抑制性能为28dB，所以频率比为2.5。三阶低通滤波器可满足这一要求。如果滤波器的源阻抗为200Ω，滤波器的负载阻抗也是200Ω，则RS/RL为1 — 使用电容作为第一元件。这样用户获得归一化的C1 = 1.433， L2 = 1.594， C3 = 1.433。如果fc为100MHz，使用公式7和公式8获得最终结果。