Comprender y diseñar filtros diferenciales para sistemas de comunicación
Cuando se trata de sistemas de comunicación, los circuitos diferenciales siempre pueden ofrecer mejores prestaciones que
proporcionan un mejor rendimiento que los circuitos de un solo extremo. Pueden proporcionar
mayor linealidad, inmunidad a las señales de interferencia de modo común y
y mucho más. Sin embargo, suele haber mucho misterio en torno a los circuitos diferenciales.
Algunos ingenieros de RF piensan que son difíciles de diseñar, probar y depurar. Este
esto parece ser especialmente cierto en el caso del filtro diferencial. Es hora de levantar el velo
de diseño de filtros diferenciales.
Para ello, partiremos de un sistema de comunicación con una cadena de receptores de FI
de un sistema de comunicación. Veremos algunos conceptos básicos de las especificaciones clave de los filtros, algunos
algunos tipos de respuesta de filtro utilizados con frecuencia, un filtro Chebyshev tipo 1
filtro Chebyshev de tipo 1, y cómo empezar con el diseño de un filtro asimétrico y luego transferirlo a un filtro diferencial
también veremos un ejemplo de diseño de un filtro diferencial. También veremos un ejemplo de diseño de un filtro diferencial
también veremos un ejemplo de diseño de un filtro diferencial y algunos puntos sobre cómo optimizar el diseño de los circuitos diferenciales
diseño de placas de circuito impreso diferenciales.
Ventajas de los circuitos diferenciales en las aplicaciones de la cadena de señales de RF
El usuario puede obtener una mayor amplitud de señal con un circuito diferencial que con
con un circuito de un solo extremo. Con la misma tensión de alimentación, un
puede proporcionar el doble de amplitud en comparación con una señal no equilibrada
señal de un solo extremo. También ofrece un mejor rendimiento en términos de linealidad y SNR
Figura 1. Amplitud de salida diferencial
Los circuitos diferenciales son relativamente insensibles a las interferencias electromagnéticas externas y a la diafonía de las señales vecinas
señales. Esto se debe a que la tensión recibida se duplica,
en teoría, el ruido afecta por igual a las trazas estrechamente acopladas, anulándose entre sí
se anulan mutuamente
Las señales diferenciales también suelen producir menos interferencias electromagnéticas. Esto se debe a que
esto se debe a que los cambios en los niveles de señal (dV/dt o dI/dt) crean campos magnéticos opuestos,
que se anulan entre sí de nuevo.
Las señales diferenciales pueden rechazar los armónicos de orden par. Esto se ilustra en
el siguiente ejemplo con una onda continua (CW) que pasa por un
etapa de ganancia. Si se utiliza un amplificador no balanceado, la salida puede ser
expresado como se muestra en la figura 2, la ecuación 1 y la ecuación 2.
Figura 2. Amplificador asimétrico
Cuando se utiliza un amplificador diferencial, la entrada y la salida se muestran en
Figura 3 y ecuaciones 3, 4, 5 y 6.
Figura 3. Amplificador diferencial
Lo ideal es que la salida no tenga armónicos de orden par, lo que hace que un circuito diferencial sea la mejor opción para un sistema de comunicación
el circuito diferencial es una mejor opción para un sistema de comunicación.
Filtros
Especificación del filtro
La frecuencia de corte, frecuencia de esquina o frecuencia de ruptura es un límite en la respuesta en frecuencia de un
respuesta en frecuencia de un sistema en el que la energía que pasa por el sistema
comienza a reducirse (atenuarse o reflejarse) en lugar de pasar.
Figura 4. Punto de frecuencia de corte de 3 dB
La ondulación en banda es la fluctuación de la pérdida de inserción en la banda pasante
Figura 5: Ondulación en banda
La linealidad de fase es la proporcionalidad directa entre el desplazamiento de fase y la frecuencia en el rango de frecuencias de interés
la gama de frecuencias de interés.
Figura 6. Linealidad de fase
El retardo de grupo es una medida del retardo de las envolventes de amplitud de
los componentes sinusoidales individuales de una señal a través de un dispositivo bajo prueba,
y es una función de la frecuencia de cada componente.
Figura 7. Retraso del grupo
Comparación de filtros
| Respuesta de S21 | Pros | Contra |
| Butterworth | ||
| Ver Figura 8 | Muy buena planitud en la banda pasante | Se desprende lentamente en la banda de parada |
| Elíptica | ||
| Ver figura 9 | Se desvanece muy rápidamente en la banda de parada cercana | Tiene una ondulación igualada en la banda pasante y en la banda de parada; esto afecta al rendimiento del rechazo de la banda de parada |
| Bessel | ||
| Ver Figura 10 | Máximo retardo de fase de grupo/plano | Decaimiento muy lento en la banda de parada |
| Chebyshev Tipo I | ||
| Véase la figura 11 | Se desvanece rápidamente en la banda de parada; no hay ondulación ecualizada en la banda de parada | Ha igualado la ondulación en la banda pasante |
| Chebyshev Tipo II | ||
| Véase la figura 12 | No hay ondulación en el ancho de banda | El roll-off no es muy rápido; ondulación igualada en la banda de parada |
Figura 8. Respuesta S21 del filtro Butterworth.
Figura 9. Respuesta S21 del filtro elíptico
Figura 10. Respuesta S21 del filtro Besel.
Figura 11. Respuesta S21 del filtro Chebyshev tipo I.
Figura 12. Respuesta S21 del filtro Chebyshev tipo II
El filtro de FI en una cadena de recepción de comunicaciones es esencialmente un filtro de paso bajo
filtro de paso bajo o un filtro de paso de banda. Se utiliza para rechazar las señales de aliasing, así como
se utiliza para rechazar las señales de aliasing y los destellos generados por los componentes activos. Las bengalas incluyen armónicos
y productos IMD, entre otros. Con el filtro, la cadena de recepción puede
proporcionan señales de alta SNR para que el ADC las analice.
Se ha elegido el filtro Chebyshev tipo I como topología porque tiene
buena planicidad en la banda, amortiguación rápida y una respuesta no reactiva en la banda de parada
banda de parada.
Diseño del filtro paso bajo
El filtro IF del receptor se utiliza para rechazar los destellos y las señales de aliasing,
su banda de parada debe ser lo más rápida posible. Sin embargo, una amortiguación más rápida
significa componentes de orden superior, y hay algunas razones por las que no se recomienda el filtrado de orden superior
hay algunas razones por las que no se recomienda el filtrado de alto orden:
- Dificultad de ajuste en la fase de diseño y depuración.
- Dificultad de la producción en serie: los condensadores e inductores varían de una pieza a otra y es difícil que los filtros de cada placa de circuito impreso tengan la misma respuesta.
- Gran tamaño de la placa de circuito impreso
En general, utiliza un filtro de séptimo orden o inferior. Al mismo tiempo, si una mayor
la ondulación en la banda no es un problema con componentes del mismo orden, entonces
una amortiguación más rápida en la banda de parada es una ganancia.
A continuación, define la respuesta requerida especificando la atenuación necesaria
en un punto de frecuencia seleccionado.
Para determinar la cantidad máxima de ondulación en el ancho de banda, mantén el
especificación hasta el límite máximo del requisito del sistema. Esto puede
ayudan a conseguir una amortiguación más rápida en la banda de parada.
Utiliza programas de filtrado, como MathCad,® MATLAB,® o ADS para diseñar el
filtro asimétrico de paso bajo.
También puedes diseñar el filtro manualmente. Una guía útil es Diseño de circuitos de RF
por Chris Bowick.
Para determinar los órdenes del filtro, normaliza la frecuencia de interés por
dividiéndolo por la frecuencia de corte del filtro
Por ejemplo, si la ondulación en la banda debe ser de 0,1 dB, la frecuencia de corte de 3 dB
de 3 dB es de 100 MHz. A 250 MHz, el rechazo debe ser de 28 dB, por lo que la relación de frecuencia es de 2,5
relación de frecuencia es de 2,5. Un filtro paso bajo de tercer orden puede cumplir este requisito.
Si la impedancia de la fuente del filtro es de 200Ω, la impedancia de carga del
filtro también es de 200Ω, RS/RL es 1. Utiliza un condensador como primer componente.
Entonces el usuario recibe un C1 normalizado = 1,433, L2 = 1,594, C3 = 1,433.
Si la fc es de 100 MHz, utiliza la ecuación 7 y la ecuación 8 para obtener los resultados finales.
Dónde:
CESCALADO es el valor final del condensador.
LESCALADO es el valor final del inductor.
Cn es un valor de elemento prototipo de paso bajo.
Ln es un valor de elemento prototipo de paso bajo.
RL es el valor final de la resistencia de carga.
fc es la frecuencia de corte final.
C1ESCALADO = 1,433/(2π × 100 × 106 × 200) = 11,4 pF
L2ESCALADO = (1,594 × 200)/(2π × 100 × 106) = 507,4 nH
C3ESCALADO = 11,4 pF
El circuito se muestra en la figura 13.
Figura 13. Ejemplo de un filtro de un solo extremo
Transforma el filtro de un solo extremo en un filtro diferencial (ver Figura 14).
Figura 14. Conversión de un filtro de un solo extremo en un filtro diferencial
Utilizando el valor del mundo real para cada componente, el filtro se actualiza como
como se muestra en la Figura 15.
Figura 15. Filtro diferencial final
Ten en cuenta que si la impedancia de salida del mezclador o del amplificador de FI y la impedancia de entrada del ADC son capacitivas
la impedancia de entrada del ADC son capacitivas, es mejor considerar el uso de un condensador como primer componente y un
condensador como primer componente y un condensador como último componente.
Además, es importante ajustar el valor del condensador de la primera y última etapa
a un valor mayor (al menos 0,5 pF) que la capacidad de la impedancia de salida
la impedancia de salida del mezclador o del amplificador de FI y la impedancia de entrada del ADC.
De lo contrario, es muy difícil ajustar la respuesta del filtro.
Diseñar un filtro paso banda
En los sistemas de comunicación, cuando la frecuencia de FI es lo suficientemente alta, hay que filtrar algunas ráfagas de baja frecuencia
hay que filtrar las frecuencias, como la media frecuencia intermedia. Para ello, es necesario
diseñar un filtro paso banda. Para un filtro de paso de banda, no es necesario ser
simétrica para el rechazo de las frecuencias bajas y altas. La forma más sencilla de diseñar un
para diseñar un filtro antialiasing de paso de banda es diseñar primero un filtro de paso bajo,
a continuación, añade un inductor en paralelo con el condensador en derivación en la etapa final del filtro para limitar las bajas frecuencias
última etapa del filtro para limitar las componentes de baja frecuencia (un inductor en derivación
es un polo de resonancia de paso alto). Si un inductor de paso alto de una sola etapa no es suficiente, añade otro
si un inductor de paso alto de una etapa no es suficiente, añade otro inductor en paralelo con el condensador en derivación de la primera etapa para conseguir un mejor rechazo de los componentes de baja frecuencia
de la primera etapa para conseguir un mejor rechazo de los picos de baja frecuencia. Después de añadir el
después de añadir el inductor en derivación, resintoniza todos los componentes para obtener la especificación correcta de rechazo fuera de banda
después de añadir la inductancia en derivación, resintoniza todos los componentes para obtener la especificación correcta de rechazo fuera de banda, y luego finaliza el valor de los componentes del filtro.
Ten en cuenta que, en general, para un filtro pasabanda no se recomiendan los condensadores en serie, ya que
ten en cuenta que, en general, para un filtro pasabanda no se recomiendan los condensadores en serie, ya que aumentan la dificultad de sintonización y depuración.
El valor de la capacitancia suele ser bastante bajo y se ve muy afectado por la
la capacidad parásita.
Ejemplo de aplicación
Este es un ejemplo de diseño de un filtro entre el ADL5201 y el AD6641.
El ADL5201 es un amplificador de ganancia de FI digital (DGA) de alto rendimiento, que está diseñado para una aplicación real de receptor de FI de estación base
(DGA), que está diseñado para una aplicación de receptor de estación base de FI real o
una trayectoria de observación del predistorador digital (DPD). Tiene un rango de control de ganancia de 30 dB
rango de control de ganancia, una linealidad muy alta con OIP3 que alcanza los 50 dBm, y una ganancia de tensión
de aproximadamente 20 dB. El AD6641 es un receptor de observación DPD de 250 MHz de ancho de banda
receptor que incorpora un ADC de 12 bits, 500 MSPS, un FIFO de 16.000 × 12 y
un back-end multimodo que permite a los usuarios recuperar datos a través de un puerto serie
puerto serie. Este ejemplo de filtro es una aplicación DPD.
A continuación se presentan algunas de las especificaciones del filtro paso banda tomadas de un
diseño de un sistema de comunicación real:
- Frecuencia central: 368,4 MHz
- Ancho de banda: 240 MHz
- Impedancia de entrada y salida: 150Ω
- Ondulación en banda: 0,2 dB
- Pérdida de inserción: 1 dB
- Rechazo fuera de banda: 30 dB a 614,4 MHz
Para construir el diseño de ejemplo:
1. Empieza con un diseño sencillo de filtro paso bajo (ver Figura 16).
Figura 16. Filtro asimétrico de paso bajo
2. Cambia el filtro desequilibrado por un filtro diferencial. Mantiene la fuente
la impedancia de la fuente y la carga, desvía todos los condensadores y divide por la mitad todos los inductores en serie en dos y los coloca en la otra vía diferencial (véase la figura 17)
en serie por la mitad y colócalos en la otra vía diferencial (ver Figura 17).
Figura 17. Filtro paso bajo diferencial con componentes ideales.
3. Optimiza el valor ideal de los componentes con el valor real
(ver figura 18).
Figura 18. Filtro paso bajo diferencial con valor real
4. Para la simulación a nivel de subsistema, añade el parámetro ADL5201 DGA S
a la entrada, utiliza la fuente de tensión de control para modelar la
AD6641 ADC a la salida del filtro. Para transformar el filtro paso bajo
en un filtro paso banda, añade dos inductores en derivación: L7 en paralelo con
C9 y L8 en paralelo con C11. C12 representa la capacidad de entrada del AD6641
c12 es la capacidad de entrada del AD6641. R3 y R4 son dos resistencias de carga colocadas en la entrada del
AD6641 para que sea la carga del filtro. La entrada del AD6641 es de alta impedancia.
Después del ajuste, ver la figura 19.
Figura 19. Filtro pasabanda diferencial.
5. Los resultados de la simulación con componentes ideales se muestran en la Figura 20.
Figura 20: Respuesta de transmisión del filtro con inductancias ideales.
6. Sustituye todas las inductancias ideales por los archivos de parámetros de inductancia S del dispositivo previsto (por ejemplo, Murata LQW18A)
dispositivo (por ejemplo, Murata LQW18A). La pérdida de inserción
es ligeramente mayor que con los inductores ideales. El resultado de la simulación
cambia ligeramente, como se muestra en la Figura 21.
Figura 21. Respuesta de transmisión del filtro con inductores Murata LQW18A.
Consideración de la disposición del filtro diferencial
Las trazas diferenciales de un par deben tener la misma longitud. Esta norma tiene su origen en
que un receptor diferencial detecta cuando las señales negativas y positivas se cruzan al mismo tiempo: el cruce
las señales negativas y positivas se cruzan al mismo tiempo, el punto de cruce
punto de cruce. Por lo tanto, para un buen funcionamiento, las señales deben llegar al receptor al mismo tiempo
para un funcionamiento correcto.
Las trazas de un par diferencial deben estar cerca unas de otras.
El acoplamiento entre líneas vecinas dentro de un par es débil si la distancia entre ellas es
la distancia entre ellos es >2× el grosor del dieléctrico. Además, esta norma se basa en el hecho de que, como
se basa en el hecho de que, como las señales diferenciales son iguales y opuestas, y
opuesta, y si el ruido externo interfiere con estas señales por igual, el ruido
se anula. Del mismo modo, cualquier ruido no deseado inducido por las señales diferenciales
en conductores adyacentes se anula si las trazas se colocan una al lado de la otra.
La separación de las trazas dentro de un par diferencial deberá ser constante en toda su longitud
longitud. Si las trazas diferenciales se colocan muy cerca unas de otras, se
influyen en la impedancia general. Si no se mantiene esta separación de
el conductor al receptor, hay desequilibrios de impedancia en el camino,
lo que da lugar a reflexiones.
Utiliza una amplia separación entre pares para minimizar la diafonía entre ellos.
Si utilizas un relleno de cobre en la misma capa, aumenta la distancia entre las trazas diferenciales y el relleno de cobre
de las trazas diferenciales al relleno de cobre. Una separación mínima de 3× la anchura del trazado
de la traza al relleno de cobre es recomendable.
Reducir la desviación intraparte de un par diferencial introduciendo pequeños meandros
correcciones cerca del origen de la desviación (véase la figura 22).
Figura 22. Uso de las correcciones de los meandros
Evita las curvas cerradas (90º) al enrutar los pares diferenciales (ver Figura 23).
Figura 23. Evita las curvas de 90º
Utiliza el enrutamiento simétrico al enrutar los pares diferenciales (ver Figura 24).
Si se necesitan puntos de comprobación, evita introducir trozos de traza y coloca los puntos de comprobación de forma simétrica (véase la figura 25)
si se necesitan puntos de prueba, evita introducir trozos de traza y coloca los puntos de prueba de forma simétrica (véase la figura 25).
Figura 24. Directrices de enrutamiento simétrico
Figura 25. Evitar el rastreo de los talones
Para facilitar el trabajo de ajustar el valor de los componentes del filtro en la placa de circuito impreso (PCB), es importante mantener la capacitancia parásita
pCB, es importante mantener la capacitancia e inductancia parásita lo más baja posible
y la inductancia parásita lo más baja posible. La inductancia parásita puede no ser
la inductancia parásita puede no ser significativa en comparación con el valor de diseño de la inductancia en el diseño del filtro
del filtro. La capacitancia parásita es más crítica para un filtro de FI diferencial.
Los condensadores en los diseños de los filtros de FI son sólo unos pocos picofaradios. Si la capacidad parásita
si la capacitancia parásita alcanza unas décimas de picofaradio, afecta a la respuesta del filtro de forma significativa
respuesta del filtro de forma significativa. Para evitar la capacitancia parásita, una buena práctica es
evitar cualquier plano de tierra o fuente de alimentación bajo la región de enrutamiento diferencial
y bajo los estranguladores de potencia.
Un ejemplo de la disposición de la placa de circuito impreso del filtro diferencial es la placa de diseño del receptor ADI
tablero de diseño (ver Figura 26). Muestra un filtro de quinto orden entre el
ADL5201 y el AD6649. El AD6649 es un ADC pipeline de 14 bits y 250 MHz con un rendimiento SNR muy bueno
con un rendimiento de SNR muy bueno.
Figura 26. Ejemplo de diseño de la placa de circuito diferencial
Una mejor comprensión del diseño de filtros diferenciales
Los circuitos diferenciales ofrecen considerables ventajas a los diseñadores.
Quizás el mayor reto de su uso sea superar la idea de que son difíciles de diseñar, probar y corregir
la idea de que son difíciles de diseñar, probar y corregir. Una vez que tengas una buena
si miras cómo trabajar con filtros diferenciales, puedes encontrarte con una nueva y valiosa herramienta para el diseño de RF
nueva y valiosa herramienta para el diseño de RF.
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