CN101877574B - 共模滤波器 - Google Patents

Abstract

一种共模滤波器，包括两个输入端子和两个输出端子以及在每个输入或输出端子和地线之间串联的电容元件和第一电感元件。

Description

共模滤波器

技术领域

本发明总体上涉及电子电路，并且尤其涉及一种在这些电路中使用的共模滤波器。

背景技术

图1是电子板1的框图，所述电子板1除包括能够提供差分信号的一个或几个电路12之外还包括本发明所应用的至少一个共模滤波器2(CMF)。这种滤波器包括两个输入端子22和24以及两个输出端子26和28。输入端子旨在用来接收要处理的差分信号，输出过滤的差分信号的结果。

如图1中的信号曲线的例子所示，共模滤波器的功能是允许反相的差分信号通过并且衰减或去除在两个输入上同相的共模信号和噪声。理想的共模滤波器对于在输入的反相信号来说是短路的并且对于同相信号来说是断路的。实际上，滤波器总是允许低频信号通过，由此让两个差分信号共有的偏置电平通过。

共模滤波器通常用于数字处理电路中的差分数据通路，特别是如果有用信号的频率与想要拒绝的信号频率处于相同的范围内的话。

在模拟电路中也可能找到共模滤波器，例如用于处理差分式话筒中的信号的模拟电路中，在所述差分式话筒中对称地发送所述信号。

图2示出了通常的共模滤波器3的例子。这种滤波器由两个电感31和33形成，所述电感31和33分别连接输入和输出通路32和36以及输入和输出通路34和38。电感通过磁性材料35耦合。电感31和33的各自相位点在同一侧上(在该例子中，在输入端子32和33的一侧)以避免过滤反相的信号。

图2的滤波器3的操作原理是对同相的信号来说呈现高串联阻抗并且对反相的信号来说呈现低串联阻抗。

磁性材料35的使用是由于在共模中需要具有高串联阻抗的高电感相联系，而不致于使滤波器的尺寸变得太大。磁性材料能够获得具有少量匝数的高电感，从而获得低串联电阻。

从而此解决方案限于其中可以使用这种金属材料的应用。特别地是，当希望把共模滤波器集成在特别是玻璃衬底上时，这种方案也许是不可能的。

与使用磁性材料相联系的缺点是在存在强磁场时的饱和。

此外，磁性材料的使用是特别昂贵的。

从而想要一种没有磁性材料的共模滤波器。

发明内容

本发明的至少一个实施例旨在克服通常的共模滤波器的所有或部分缺点。

更具体地说，本发明的实施例旨在避免在共模滤波器中使用磁性材料。

本发明的实施例的另一目的是通过在电子电路中给出共模滤波器来避免增加串联电阻。

本发明的实施例的另一目的是提供一种可以被容易地集成到特别是玻璃衬底上的解决方案。

为了实现所有或部分这些及其它目的，本发明的至少一个实施例提供了一种共模滤波器，所述共模滤波器包括两个输入端子和两个输出端子，以及在每个输入或输出端子和地线之间串联的电容元件和第一电感元件。

依照本发明实施例，第一电感元件共用于所有电容元件。

依照本发明实施例，第一输入端子被直接连接到第一输出端子或与第一输出端子共用一端，并且第二输入端子被直接连接到第二输出端子或与第二输出端子共用一端。

依照本发明实施例，第一输入端子通过第二电感元件连接到第一输出端子，并且第二输入端子通过第三电感元件连接到第二输出端子。

依照本发明实施例，第二和第三电感元件相互耦合。

依照本发明实施例：

输入端子通过两个串联的电容元件连接；

输出端子通过另外两个串联的电容元件连接，所述电容元件各自的串联中点被互连到第一电感元件的第一端子，所述第一电感元件的另一端子接地。

依照本发明实施例，电容元件通过二极管来形成，所述二极管各自的阳极位于第一电感元件的一侧，在此电感元件上并联连接额外的二极管。

结合附图在下面的非限制性具体实施例中将详细论述本发明的上述目的、特征和优点。

附图说明

先前描述的图1示出了本发明作为一个示例应用于此类电子电路的例子；

先前描述图2示出了共模滤波器的通常例子；

图3示出了共模滤波器的实施例；

图4图示了图3的滤波器的频率响应；

图5示出了共模滤波器的另一实施例；

图6图示了图5的滤波器的频率响应；

图7示出了防止可能的静电放电的共模滤波器的又一实施例。

具体实施方式

在不同的附图中相同的元件利用相同的附图标记来指代。为了清楚起见，将只示出并描述那些对理解本发明有用的元件。特别地是，尚未详细描述在共模滤波器的上游或下游连接的电路，本发明兼容于这些共模滤波器的通常应用。

更具体地说，本发明应用的领域是在射频传输系统中使用共模滤波器。特别地是，由于下面几个原因，在蜂窝电话型的移动通信设备中广泛地使用共模滤波器。

第一个原因是用于传送数据的差分线路是高速率线路从而可以以通信设备的不同接收带辐射信号。于是通常将共模滤波器置于差分发送器的输出上以过滤电话的接收带。

另一个原因是电话天线通常具有足以使其辐射被用于在电子电路中传送高速率信号的线路捕获的功率(例如，对于GSM电话来说数量级为2瓦)。为了避免这点，共模滤波器位于差分接收器的输入上并且过滤电话的发送频带。

共模滤波器的另一优点是在差分信号发生相移(固有或偶然)的情况下避免辐射。这种相移可能源于在集成或印刷电路上导电线路的轻微格局差异。在没有任何滤波器的情况下，改变了电话的灵敏度和接收能力。

使用磁性材料在希望以尽可能最低的成本来使其小型化的设备中是特别烦扰的。

为了集成共模滤波器或减少共模滤波器的成本，所述共模滤波器可以被设计为除去图2例子中的磁性材料并且采用在(由绝缘体分离的)两个叠加的导电级中平面绕组的方法来制作电感。然而，最大的理论耦合于是是一。应当提供的电感值往往会产生与所希望的使电路和电子设备小型化不相符的体积。例如，为了在900MHz(GSM频带)获得近似20dB的共模衰减，可能需要近似90nH的电感。为了获得低串联电阻，这可能会占据不现实的数平方毫米甚至数平方厘米的表面区域。

此外，该值电感的串联电阻不利地影响了差分模式传输。此外，该结构还可能产生明显的杂散电容。这种差分模式阻抗变化对用于传送数字信号的连接来说是关键的，所述连接通常是阻抗匹配的。

图3示出了共模滤波器2的实施例。

依照此实施例，输入端子22和24被直接连接到各自的输出端子26和28。“直接”意味着除与导电线路或在这些端子之间的线路的格局相联系的杂散元件之外没有任何插入的电容、电感或电阻元件。

为了简化以下描述，参考端子或分别用于把端子22和26相互连接并且把端子24和28相互连接的线路21和23。在实践中，还可以认为端子22和26是共用的，以及端子24和28是共用的。

旨在用于传送差分信号的线路或端子21和23依照此实施例由具有相同值的两个电容元件C25和C26串联连接，并且它们的接合点27通过电感元件L29接地。

操作如下：当在端子22和24上存在反相的信号时，在端子21和23之间的电压差是零。据此，在中点27的电压也是零并且没有电流流过电感L29。然而，在端子22和24上存在同相(一般是在两个差分信号上出现的噪声)的信号(更准确的说，同一分量的信号)的情况下，在端子21和23之间的电压差不再是零。然后电感L29把存在于节点27的信号引向地线。

从而，在功能上，代替在输入/输出端子之间呈现高串联阻抗，滤波器2把共模噪声引向地线。

从而图3的实施例减少差分模式信号的串联阻抗。

图4图示了图3的滤波器的频率响应的例子。

对于共模信号(实线的曲线mc)来说，此滤波器作为以谐振频率或截止频率fc为中心的带阻滤波器工作，截止频率fc等于：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L29*(C25+C26)}}$

应当记住，电容元件C25和C26的各自值是相等的以遵守两个线路的对称性。此外，认为电容和电感元件具有可忽略的串联电阻。此外，由于不会衰减在输入和输出端子之间的信号，所以此串联电阻不会干扰。

只对更高的频率衰减差分模式信号(虚线的曲线md)。所述衰减基本上是由于电容C25和C26，所述电容C25和C26具有相对较低的值以便在差分模式中获得宽带宽。

在图4的例子中，已经任意地表明了在截止频率的20dB的衰减A。

作为具体实施例，诸如在图3中所图示的滤波器在衰减为20dB以上的情况下具有大约950MHz的截止频率，并且在880MHz和1.3MHz之间提供大于10dB的衰减，其中所述滤波器利用近似3皮法的电容元件C25和C26和近似4.65纳亨的电感元件L29形成。差分带宽是2GHz(低于3dB的衰减)。

由于能够干扰差分模式信号的共模噪声扰动处于蜂窝电话工作频带中，在此具体实施例中假定为GSM频带，所以在共模下只过滤窄带的事实并不令人烦扰。

一般地说，优点来自于下述事实：在许多应用中，希望过滤的共模对应于确定的频带，即设备的操作带宽，所述设备例如多频带蜂窝电话(GSM，DCS，PCS，WCDMA)。

图5示出了共模滤波器的另一实施例。

输入端子22和24通过串联的两个电容元件C42和C44连接。输出端子26和28通过串联的两个电容元件C46和C48连接。这些串联关联的各自中点45和47互连并通过第一电感元件L49接地。端子22和26通过电感元件L41连接，而端子24和28通过电感元件L43连接。

图5的实施例对于给定截止频率来说能够减少电容元件的值。优选地是，四个电容元件具有相同的值。作为变型，元件C42和C44具有相同的值并且元件C46和C48具有相同的值。

此外，电感元件L41和L43的存在使得能够加宽共模滤波器的衰减频带。元件L41和L43的相位点在相同一侧以便避免过滤差分模式。元件L41和L43具有相同的值以便保持滤波器的对称性。

图6图示了图5的滤波器的频率响应的例子。在共模中(实线的曲线mc)，滤波器包括由元件C42、C44和L49决定的第一截止频率fc1。频率fc1的第一近似值为：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{2*L49*(C42+C44)}}$

第二截止频率fc2由元件L41、L43、C42、C44、C46、C48和L49决定。作为第一近似值，可以认为它只取决于元件L41、C42和C46(或者L43、C44和C48)并且等于：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L41*\frac{C42*C46}{C42+C46})}}$

作为具体实施例，图5中的此类滤波器已经利用近似1.8皮法的电容元件C42、C44、C46和C48和近似8纳亨的电感元件L41、L43和近似5.5纳亨的电感元件L49形成。在共模中，此滤波器在近似800MHz和2GHz之间呈现衰减，其能够覆盖移动电话的所有当前频带(GSM，DCS，WCDMA，GPS等)。差分模式中的带宽其数量级为1.85GHz。由于电容增加，所以相对于图3的实施例减少了差分模式中的带宽。

为了进一步减小电容和电感元件的尺寸，可以耦合电感L41和L43(没有磁性材料)。这种变化在图5中由虚线图示，用于表示耦合k。

在集成的部件中，这种耦合可以通过使元件L41和L43具有交织或叠加的平面导电绕组形式来获得。

作为具体实施例，依照此变化的滤波器已经利用近似750毫微微法的电容元件、与数量级为0.85(在没有磁性材料的情况下必须小于1)的耦合系数耦合的近似13纳亨的电感元件L41和L43以及近似15纳亨的电感L49形成。这种滤波器的频率响应在850和1.6GHz之间具有大于20dB的衰减并且在近似2.25GHz直到近似6GHz的差分带宽内具有大于10dB的衰减。

图7示出了基于图5的滤波器的结构的共模滤波器的又一实施例，其与防止静电放电(ESD)的元件相关联。通过利用二极管D42、D44、D46和D48替换电容元件C42、C46、C48和C44来获得ESD保护，所述二极管D42、D44、D46和D48各自的阳极位于中点45和47一侧。此外在电感元件L49上并联地装配另外的二极管D50。如图7的虚线所图示，二极管D50的定向是无关紧要的。此二极管的功能是使过电压短路，在静电放电的情况下所述过电压可能由电感元件L49产生。

利用二极管来代替电容元件只略微改变了滤波器响应。

所描述的结构能够在不使用磁性材料的情况下形成共模滤波器，同时从集成观点看来仍保持在合理的电感值内。

已经描述了具有各种候选方式的不同实施例。对那些本领域技术人员来说可以想到各种改变和修改。应当注意，本领域技术人员可以在不体现任何创造性的情况下把这些各个实施例和候选方式的各个元件相组合。特别地是，被给予不同组件的值取决于应用以及共模所想要的衰减频带。此外，根据上面给出的功能指示和所使用技术强加的约束条件，采用在玻璃衬底或另一绝缘体的基底上集成电路的形式来实践实现本发明也在本领域技术人员的能力内。此外，尽管所描述的实施例特别适用于集成的实现方式，不过它们也可以在印刷电路上形成。

此外，尽管已经描述了相同的电感元件把每个电容元件连接到输入和输出端子的实施例，不过可以以更显著的体积为代价来提供相同值的独立电感元件。

Claims (3)

1.一种共模滤波器(2；4；5)，包括第一和第二输入端子(22，24)和第一和第二输出端子(26，28)，和第一电感元件(L29；L49)，其中，所述第一输入端子通过第二电感元件连接到所述第一输出端子(26)，并且所述第二输入端子(24)通过第三电感元件连接到所述第二输出端子，并且其中，所述第一和第二输入端子通过串联的第一和第二电容元件连接；以及

所述第一和第二输出端子通过串联的第三和第四电容元件连接，所述电容元件的各自的串联连接的中点被互连到共用节点并且被互连到所述第一电感元件的第一端，所述第一电感元件的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其中第二和第三电感元件(L41，L43)相耦合。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述电容元件由二极管(D42，D44，D46，D48)形成，所述二极管(D42，D44，D46，D48)各自的阳极位于所述第一电感元件(L49)的一侧，额外的二极管(D50)在此电感元件上并联连接。