인라인 필터를 사용한 저비용 신호 발생기로 테스트 성능 향상

테스트를 위해 순수 사인파가 필요한 상황인데, 고조파 레벨이 높은 임의 함수 생성기만 있으신가요? 두 개의 신호 발생기의 출력을 믹싱하는 경우, 믹서 출력에서 상위 측파대 콤포넌트를 선택해야 할 수 있습니다. 어떻게 하면 될까요? 이런 경우, SMA 커넥터가 있는 Crystek Corporation의 CLPFL-0200(그림 1, 왼쪽)과 BNC 커넥터가 있는 CLPFL-0021-BNC(그림 1, 오른쪽)와 같은 인라인 RF 필터를 사용하면 됩니다.

그림 1: SMA 커넥터(왼쪽)가 있는 CLPFL-0200 또는 BNC 커넥터(오른쪽)가 있는 CLPFL-0021과 같은 인라인 동축 필터는 신호 발생기의 신호 고조파 및 잡음을 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

RF 필터는 원하는 주파수 콤포넌트를 통과시키면서 원치 않는 주파수를 선택적으로 감쇠시켜 신호를 정제합니다. 인라인 필터는 동축 회선과 함께 사용하도록 제작되었으며, 50옴(Ω) 공칭 임피던스로 설계되어 있어 신호 대역폭을 줄여 잡음을 줄입니다. 또한 신호 스펙트럼을 제어하여 고조파, 이미지 및 간섭 신호를 줄입니다.

필터 유형

인라인 필터 구성에는 저역 통과, 고역 통과, 대역 통과 등 여러 가지 유형이 있습니다(그림 2).

그림 2: 저역 통과, 고역 통과 및 대역 통과 필터의 주파수 응답을 보여줍니다. (이미지 출처: Art Pini)

저역 통과 필터는 정해진 컷오프 값 이하의 주파수를 통과시키며, 기본 주파수보다 약간 높게 컷오프 값을 설정하면 해당 신호의 고조파를 제거할 수 있습니다. 고역 통과 필터는 정해진 컷오프 값 이상의 주파수를 통과시키며, 전력선 주파수보다 높게 컷오프 값을 설정하면 간섭 신호를 제거할 수 있습니다.  대역 통과 필터는 원하는 대역 내에서 주파수를 통과시켜 원치 않는 신호를 감쇠시키며, RF 프런트엔드의 프리셀렉터로 사용할 수 있습니다. 신호가 거의 손실 없이 전송되는 영역을 통과 대역이라고 하고, 신호가 크게 감쇠되는 영역을 저지 대역이라고 합니다. 통과 대역과 저지 대역 사이의 영역을 전이 영역이라고 합니다.

올바른 필터 선택

필터는 특정 주파수 응답 특성에 맞게 설계되는데, 그러한 특성에는 통과 대역에서 저지 대역으로의 전이의 선명도, 통과 대역과 저지 대역의 평탄도, 주파수의 함수로서의 위상 응답이 포함됩니다. 그림 3에는 몇 가지 전통적인 설계가 표시되어 있습니다.

그림 3: 여러 유형의 전통적인 필터의 주파수 응답은 롤오프 및 평탄도 특성의 차이를 보여줍니다. (이미지 출처: Art Pini)

버터워스(Butterworth) 필터는 평탄한 통과 대역 응답과 적당한 롤오프율을 제공합니다. 베셀(Bessel) 필터는 위상 응답이 가장 선형적이지만 롤오프가 가장 느리며, 일반적으로 대역이 제한된 펄스 파형을 최소한의 왜곡으로 전송해야 할 때 사용됩니다. 체비셰프(Chebyshev) 필터는 롤오프가 빠르지만 통과 대역에 리플이 있습니다. 역 체비셰프 필터는 통과 대역 응답이 평탄하고 롤오프가 빠르지만 저지 대역에서 리플이 발생합니다. 버터워스와 체비셰프의 2가지 인라인 필터가 가장 널리 사용됩니다.

모든 필터 유형의 롤오프 특성은 순서 값에 따라 영향을 받습니다. 순서 값은 해당 필터의 전달 함수에서 비롯되며, 필터의 설계에서 폴(pole)의 수를 나타냅니다. 일반적으로 필터의 순서 값이 높을수록 롤오프 속도가 빨라집니다(그림 4).

그림 4: 순서 값이 5에서 9인 필터에 대한 버터워스 저역 통과 필터 응답을 비교한 것입니다. 필터의 순서 값이 높을수록 전이 영역에서 롤오프가 빨라집니다. (이미지 출처: Art Pini)

Crystek의 CLPFL-0200은 210MHz의 주파수에서 통과 대역이 DC ~ 200MHz이고 삽입 손실이 2.2데시벨(dB)인 순서 값 7의 버터워스 저역 통과 필터입니다. 이 필터는 8비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 유효 비트 수(ENOB)를 측정할 때 신호 발생기의 출력을 정제하는 데 사용할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 신호 발생기에서 고조파와 잡음을 제거하기 위해 200MHz 저역 통과 필터를 사용한 결과입니다. 필터링된 신호(아래쪽 트레이스)는 잡음과 고조파 레벨이 크게 감소했습니다. (이미지 출처: Art Pini)

위쪽 트레이스는 기본 고조파보다 22dB 낮은 두 번째 고조파가 있는 신호 발생기 출력 스펙트럼을 보여줍니다. 필터를 사용하면(아래쪽 트레이스), 두 번째 고조파가 70dB 이상 감소하고 다른 고조파는 잡음 플로어 이하로 유지됩니다. 또한 필터 컷오프 주파수를 넘는 잡음 플로어가 40dB 이상 낮아진다는 점도 주목하세요.

고역 통과 필터는 원하는 신호보다 낮은 주파수의 간섭 신호를 제거합니다(그림 6).

그림 6: 원하는 30MHz 신호에서 13MHz 간섭 신호를 제거하는 데 사용되는 고역 통과 필터가 표시되어 있습니다(위쪽 트레이스). 아래쪽 트레이스는 필터링된 신호입니다. (이미지 출처: Art Pini)

그림 6에서 고역 통과 필터는 13MHz 간섭 신호를 감쇠하고, 중요한 30MHz 신호는 통과시킵니다. 간섭 신호의 효과는 시간 도메인 보기(왼쪽 위)에서 신호 피크의 진폭 변화로 확인할 수 있습니다. 필터링된 신호(왼쪽 아래)는 피크 진폭이 평평하게 유지됩니다.

BNC 커넥터가 있는 순서 값 7의 25MHz 체비셰프 고역 통과 필터인 Crystek의 CHPFL-0025-BNC와 같은 필터를 사용하면 간섭 신호를 감쇠시킬 수 있습니다.

Crystek 필터는 최대 순서 값 9의 구성으로 제공됩니다. 예를 들어 앞서 언급한 CLPFL-0021-BNC는 21MHz 체비셰프 응답, 순서 값 9의 저역 통과 필터입니다. 옥타브당 약 55dB로 롤오프되는 전이 영역을 제공합니다.

대역 통과 필터는 일반적으로 저역 통과 또는 고역 통과 필터보다 더 많은 부품이 필요하므로, 공간을 차지하게 되고 BOM이 늘어납니다. Crystek은 표면 탄성파(SAW) 기술을 통해 대역 통과 필터를 저역 통과 또는 고역 통과 필터와 동일한 패키지에 넣을 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다. SAW 대역 통과 필터의 예로는 915MHz를 중심으로 하는 26MHz 대역폭과 SMA 커넥터를 갖춘 Crystek CBPFS-0915가 있습니다.

결론

인라인 RF 필터는 신호 발생기의 고조파, 잡음 및 간섭을 제거하여 테스트 성능을 향상시킵니다. Crystek과 같은 회사는 신호 조정 요구 사항에 맞는 다양한 인라인 필터를 제공합니다.