作者：Antoniu Miclaus，系統應用工程師; Doug Mercer，顧問研究員

目標

本實驗活動的目標是研究多相濾波器作為正交信號生成技術，并生成差分可調諧放大器，去創建一個多相放大器或者濾波器，能夠生成輸入信號源的四個正交相位（即以90°為增量的相位）。

背景知識

正交頻率轉換在現代無線收發器架構中很常見，因為當今的數字通信系統中同時部署了幅度調制和相位調制。

圖1顯示了簡化的一階多相電路，通常部署在許多諸如ADL5380這樣的正交解調器中。這個簡單的多相電路由互補的RC子電路組成。從輸入到一個輸出的低通傳遞函數在轉折頻率處使相位偏移–45°，而到另一個輸出的高通傳遞函數在轉折頻率處使相位偏移+45°。兩個輸出之間的凈相位差為90°。如果兩個路徑的R和C值匹配，則兩條路徑具有相同轉折頻率，更重要的是，在所有頻率下，一個輸出的相位都與另一個輸出保持90°的相移。兩個輸出信號（LO I 0°和LO Q 90°）的相對幅度僅在兩個RC路徑的–3 dB轉折頻率處相等。

圖1.簡化的一階多相濾波器。

正交本振(LO)信號的產生是邊帶抑制外差接收器中的一個重要功能模塊。正交精度，即同相和正交90°相移信號的相位精度，直接決定了鏡像抑制比(IRR)，這是決定接收器靈敏度的重要規格參數。

材料

?  ADALM2000主動學習模塊

?  無焊試驗板和跳線套件

?  兩個1 nF電容（標記為102）

?  兩個1 kΩ電阻

說明

在無焊試驗板上構建圖2所示的多相濾波器電路。

圖2.多相濾波器電路。

硬件設置

圖2中的藍色方塊表示連接ADALM2000模塊AWG和示波器通道的位置。試驗板電路參見圖3。

圖3.簡化的一階多相濾波器試驗板連接。

在Scopy中打開網絡分析儀軟件工具。配置頻率掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為30 MHz。將幅度設置為2 V，將偏置設置為零。選中示波器通道下拉菜單下的使用通道1作為參考框，以測量一個輸出路徑相對于另一個輸出路徑的相位。見圖4。

圖4.Scopy網絡分析儀輸出。

程序步驟

根據您使用的R和C值來計算預期的RC轉折頻率。運行一次頻率掃描并確保將數據保存到.csv文件中，以便之后在MATLAB®或Excel中使用。

差分多相調諧放大器

通過在NPN差分放大器中添加二階LC和CL低通和高通濾波器部分作為差分輸出負載，可以生成輸入正弦波信號的所有四個90°相位（0°、90°、180°和270°）。圖5所示就是這種調諧放大器。

材料

?  ADALM2000主動學習模塊

?  無焊試驗板和跳線套件

?  一對SSM2212 NPN匹配晶體管（Q1、Q2）

?  兩個2N3904 NPN晶體管（Q3、Q4）

?  兩個100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?  兩個1 nF電容（標記為102）

?  兩個0.1 μF電容（標記為104）

?  兩個10 Ω電阻

?  兩個150 Ω電阻

?  兩個470 Ω電阻

?  三個1 kΩ電阻

?  一個10 kΩ電阻

?  所需的其他電阻和電容

說明

在無焊試驗板上構建圖5所示的電路。使用 SSM2212 匹配的晶體管對作為 Q1 和 Q2。晶體管Q3和Q4可以是2N3904器件。設置L1 = L2 = 100 μH，C1 = C2 = 1 nF。R1應等于R2，并使用值470 Ω。同樣，R3應等于R4，并使用值150 Ω。

圖5.多相放大器。

圖6.多相放大器試驗板連接。

硬件設置

圖5中的藍色方塊表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線之后，再打開電源。試驗板電路參見圖6。

打開電源電壓控制窗口，先接通再斷開固定的+5 V和-5 V電源。在Scopy中打開網絡分析儀軟件工具。配置頻率掃描范圍，起始頻率為100 Hz，停止頻率為30 MHz。將幅度設置為1 V，將偏置設置為零。

程序步驟

根據您使用的L和C值來計算預期的LC轉折頻率。

接通電源。通過交流耦合電容器（圖5中的C4），將示波器輸入通道2交替連接到電阻器R1、R2、R3和R4末端的四個可能的輸出。運行單次頻率掃描并將每次掃描存儲在波形快照中，以比較每個輸出的相對增益和相位響應。請務必將所有頻率掃描數據導出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進行深入分析。

使用示波器和函數發生器軟件儀器（在時域中），將AWG頻率設置為諧振頻率，并將幅度設置為1 V峰峰值。在示波器通道1上觸發。觀察四個輸出的相對幅度和相位，并將每個波形存儲在通道2上作為參考通道，以比較每個輸出的幅度和相位。參見圖7至10。

 

圖7.0°相移。

 

圖8.90°相移。

圖9.180°相移。

 

圖10.270°相移。

問題

能簡單描述一下多相濾波器的一些實際應用嗎？您可以在學子專區論壇上找到問題答案。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士學位，并擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。