當提到通訊系統時,比起單端電路(single-ended circuits),差分電路(differential circuits)總是能提供更加優良的性能,因為具有更高的線性度、抗共模干擾訊號性能等;但差分電路仍顯得更神秘一些,某些RF工程師認為這類電路很難設計、測試和除錯,尤其是差分濾波器(differential filter)。是時候揭開差分濾波器設計的神秘面紗了。

本文將從一個通訊系統接收鏈IF級濾波器(IF stage filter)為起點,比較幾種常用濾波器,並探討如何將單端濾波器設計轉換為差分濾波器設計,以及將差分電路設計最佳化的方法。

RF訊號鏈應用差分電路優勢

使用者利用差分電路可以達到比利用單端電路更高的訊號幅度。在相同電源電壓下,差分訊號可提供是單端訊號兩倍的幅度,它還能提供更好的線性度和SNR性能。

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圖1:差分輸出振幅。

差分電路對外部EMI和附近訊號的串擾具有很好的抗擾性;這是因為接收的有用訊號電壓加倍,雜訊對緊密耦合走線的影響在理論上是相同的,它們彼此抵消。差分訊號產生的EMI往往也較低,這是因為訊號電平的變化(dV/dt或dI/dt)產生相反的磁場,再次相互抵消。

差分訊號可抑制偶次諧波(even-order harmonics);以通過一個增益級(gain stage)的連續波(CW)為例,當使用一個單端放大器時(圖2),輸出可表示為公式1和公式2。

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圖2:單端放大器使用案例。

公式1:20161208 EDNADI NT51F1

公式2:20161208 EDNADI NT51F2

當使用一個差分放大器時,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。

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圖3:差分放大器使用案例

公式3:20161208 EDNADI NT51F3

公式4:20161208 EDNADI NT51F4

公式5:20161208 EDNADI NT51F5

公式6:20161208 EDNADI NT51F6

理想情況下,輸出不會有任何偶次諧波,使得差分電路成為通訊系統一個更好的選擇。

理解和設計通訊系統中的差分濾波器

截止頻率(cutoff frequency)、轉折頻率(corner frequency)或拐點頻率(break frequency)是系統頻率響應的邊界,此時流經系統的能量開始減少(衰減或反射),而不是自由通過(圖4)。帶內漣波(in-band ripple)指的是通帶(pass band)內插入損耗的波動(圖5)。

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圖4:3 dB截止頻率點

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圖5:帶內漣波

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