Migliora le prestazioni di test con generatori di segnali a basso costo utilizzando filtri in linea

Hai bisogno di un'onda sinusoidale pura per un test ma hai disponibile solo un generatore di funzioni arbitrarie con un alto livello di armoniche? Forse stai miscelando le uscite di due generatori di segnali e devi selezionare il componente della banda laterale superiore all'uscita del mixer. Come puoi fare? La soluzione è utilizzare i filtri RF in linea, come i dispositivi di Crystek Corporation CLPFL-0200 (Figura 1, a sinistra) con un connettore SMA e CLPFL-0021-BNC (Figura 1, a destra) con un connettore BNC.

Figura 1: I filtri coassiali in linea, come CLPFL-0200 con un connettore SMA (a sinistra) o CLPFL-0021 con un connettore BNC (a destra), possono ridurre le armoniche e il rumore dei segnali sui generatori di segnale. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

I filtri RF puliscono i segnali attenuando in modo selettivo le frequenze indesiderate, al contempo lasciando passare le componenti di frequenza desiderate. I filtri in linea, pensati per l'uso con le linee coassiali, sono progettati con una impedenza nominale di 50 Ω. Questi filtri riducono il rumore riducendo la larghezza di banda del segnale. Controllano inoltre lo spettro del segnale per ridurre armoniche, immagini e segnali interferenti.

Tipi di filtri

Esistono vari tipi di configurazioni dei filtri in linea, come passa-basso, passa-alto e passa banda (Figura 2).

Figura 2: Le risposte in frequenza dei filtri passa-basso, passa-alto e passa banda. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I filtri passa-basso lasciano passare le frequenze inferiori a un limite fissato e possono eliminare le armoniche di un segnale con il limite impostato appena al di sopra della frequenza fondamentale. I filtri passa-alto lasciano passare le frequenze superiori a un limite fissato e possono eliminare un segnale interferente con il limite impostato al di sopra della frequenza della linea di alimentazione.  I filtri passa banda attenuano i segnali indesiderati lasciando passare le frequenze all'interno di una banda desiderata; possono essere utilizzati come preselettore per un front-end RF. La regione in cui il segnale viene trasmesso con una piccola perdita viene chiamata banda passante, mentre la regione in cui il segnale viene altamente attenuato è detta banda di arresto. Le regioni tra la banda passante e la banda di arresto sono le cosiddette regioni di transizione.

Selezione del filtro giusto

I filtri sono progettati per specifiche caratteristiche di risposta in frequenza. Queste includono la precisione della transizione dalla banda passante alla banda di arresto, la planarità della banda passante e della banda di arresto e la risposta in fase in funzione della frequenza. La Figura 3 mostra vari filtri classici.

Figura 3: La risposta in frequenza di vari tipi di filtri classici mostra le differenze in termini di caratteristiche di roll-off e planarità. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il filtro Butterworth ha una risposta in banda passante piatta e una velocità di roll-off moderato. Il filtro Bessel presenta la risposta in fase più lineare, ma anche il roll-off più lento; viene utilizzato quando una forma d'onda impulsiva a banda limitata deve essere trasmessa con una distorsione minima. Il filtro Chebyshev è caratterizzato da un roll-off veloce, ma ha del ripple nella banda passante. Il filtro Chebyshev inverso ha una risposta in banda passante piatta e un roll-off veloce, ma presenta del ripple nella banda di arresto. I filtri Butterworth e Chebyshev sono due tra i filtri in linea più comunemente utilizzati.

Le caratteristiche di roll-off di qualsiasi tipo di filtro sono influenzate dall'ordine. L'ordine dipende dalla funzione di trasferimento del filtro e indica il numero di poli nel progetto. In generale, più alto è l'ordine del filtro, più veloce è il roll-off (Figura 4).

Figura 4: Confronto della risposta di un filtro passa-basso Butterworth con ordini da 5 a 9. Più alto è l'ordine del filtro, più veloce è il roll-off nella regione di transizione. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

CLPFL-0200 di Crystek è un filtro passa-basso Butterworth del 7° ordine con una banda passante da c.c. a 200 MHz e una perdita di inserzione di 2,2 dB a una frequenza di 210 MHz. Questo filtro può essere utilizzato per pulire l'uscita di un generatore di segnali quando si deve effettuare una misurazione del numero di bit effettivi (ENOB) su un convertitore analogico/digitale (ADC) a 8 bit (Figura 5).

Figura 5: Il risultato di un filtro passa-basso a 200 MHz utilizzato per rimuovere le armoniche e il rumore da un generatore di segnali. Il segnale filtrato (traccia inferiore) mostra livelli di armoniche e di rumore significativamente ridotti. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La traccia superiore mostra lo spettro di uscita del generatore di segnali con una seconda armonica di appena 22 dB inferiore alla fondamentale. Con il filtro (traccia inferiore), la seconda armonica è inferiore di oltre 70 dB e le altre armoniche sono al di sotto del rumore di fondo. Notare anche che il rumore di fondo al di sopra della frequenza di taglio del filtro è ridotto di oltre 40 dB.

I filtri passa-alto eliminano i segnali interferenti con una frequenza inferiore al segnale desiderato (Figura 6).

Figura 6: Un filtro passa-alto utilizzato per eliminare un segnale interferente a 13 MHz dal segnale a 30 MHz desiderato (traccia superiore). Il segnale filtrato è riportato nella traccia inferiore. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Nella Figura 6, un filtro passa-alto attenua un segnale interferente a 13 MHz e lascia passare il segnale a 30 MHz desiderato. L'effetto del segnale interferente è visibile nella vista del dominio temporale (in alto a sinistra) come variazione di ampiezza dei picchi del segnale. Il segnale filtrato (in basso a sinistra) mostra ampiezze di picco piatte.

Un filtro come CHPFL-0025-BNC di Crystek, ovvero un filtro passa-alto Chebyshev a 25 MHz del 7° ordine con connettori BNC, può attenuare il segnale interferente.

I filtri di Crystek sono offerti in configurazioni fino al 9° ordine. Ad esempio, il dispositivo CLPFL-0021-BNC precedentemente indicato è un filtro passa-basso Chebyshev a 21 MHz del 9° ordine. Offre una regione di transizione con roll-off a circa 55 dB per ottava.

I filtri passa banda in genere richiedono più componenti dei filtri passa-basso o passa-alto, che occupano spazio e allungano la distinta base. Crystek risolve questo problema con l'impiego della tecnologia dell'onda acustica di superficie (SAW), per far sì che i filtri passa banda entrino nello stesso contenitore dei filtri passa-basso o passa-alto. Un esempio di filtro passa banda SAW è CBPFS-0915 di Crystek con connettori SMA e una larghezza di banda a 26 MHz centrata su 915 MHz.

Conclusione

I filtri RF in linea migliorano le prestazioni di test eliminando armoniche, rumore e interferenze dai generatori di segnali. Le aziende come Crystek offrono un'ampia gamma di filtri in linea per rispondere a qualsiasi esigenza di condizionamento del segnale.