wersja mobilna
Online: 578 Sobota, 2016.12.03

Technika

Filtry składowej wspólnej

poniedziałek, 12 września 2016 11:00

Popularyzacja transmisji różnicowej w systemach cyfrowych zwiększa zapotrzebowanie na filtry składowej wspólnej, które stają się elementem zapewniającym integralność sygnału oraz dobre właściwości w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. W naszym artykule przedstawiamy właściwości tych elementów i pokazujemy, w jaki sposób dobierać je do pracy w aplikacjach.

Na rysunku 1 przestawiono zasadę działania takiego elementu. Jest on realizowany jako para sprzężonych ze sobą cewek indukcyjnych. Pola magnetyczne, które są wytwarzane w każdej z cewek przez sygnał różnicowy, wzajemnie się kompensują. W efekcie jest on przenoszony w zasadzie bez tłumienia i filtr nie wpływa istotnie na parametry i integralność danych. Z kolei pola magnetyczne, których źródłem jest sygnał wspólny dodają się i w rezultacie jest on silnie tłumiony.

Rys. 1. Zasada działania filtru składowej wspólnej

Rys. 2. Symbol filtru składowej wspólnej

Dla sygnału różnicowego cewki filtru stanowią impedancję równą ich rezystancji, dzięki temu występuje tylko pomijalnie mała strata tego sygnału użytecznego. Dla składowej wspólnej impedancja obwodu jest równa reaktancji poszczególnych uzwojeń, zatem odpowiednie wykonanie filtru na rdzeniu o wysokiej przenikalności jest w stanie zapewnić wysokie tłumienie zaburzeń.

Z jakiego materiału wykonać rdzeń?

Filtry składowej wspólnej wykonuje się, nawijając uzwojenia cewek na rdzeń pierścieniowy (rys. 3) wykonany najczęściej z ferrytu niklowo-cynkowego lub manganowo-cynkowego. Te pierwsze charakteryzuje mała wartość początkowej przenikalności magnetycznej µ. Parametr ten opisuje zależność indukcji (gęstości strumienia) od natężenia wywołującego ją pola magnetycznego.

W przypadku ferrytów niklowo-cynkowych µ nie przekracza 1000. Przenikalność tych materiałów pozostaje za to stała nawet w zakresie wysokich częstotliwościach, nawet powyżej 100 MHz.

Rys. 3. Filtr składowej wspólnej

Przenikalność magnetyczna ferrytów manganowo-cynkowych jest natomiast znacznie większa - µ może nawet przekraczać 15 000. Niestety równocześnie zaczyna maleć już przy częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kHz. Dlatego rdzenie z ferrytów niklowo-cynkowych, które nie zapewniają dużej impedancji w niskich częstotliwościach, są zwykle używane, gdy spodziewane są zaburzenia o częstotliwościach w zakresie powyżej 10-20 MHz.

Rdzenie z ferrytów manganowo-cynkowych, zapewniające bardzo dużą impedancję w zakresie niskich częstotliwości, sprawdzają się z kolei w tłumieniu zaburzeń o częstotliwościach w przedziale od 10 kHz do 50 MHz.

Nowa seria filtrów składowej wspólnej 0805USBN firmy Coilcraft to przeznaczone do montażu SMT elementy o bardzo małych wymiarach - 2×1,2×0,93 mm. Konstrukcja przeznaczona jest do pracy w obwodach szybkich interfejsów cyfrowych o dużej szybkości.

Pasmo dla sygnałów różnicowych sięga 6,5 GHz przy tłumieniu 35 dB dla sygnałów wspólnych. Filtry są przeznaczone do redukcji szumów i zaburzeń z linii interfejsów takich, jak USB 3, HDMI 2.0, HDBaseT, DisplayPort i DVI. Są kompatybilne ze specyfikacją USB Type-C 1.0

Filtry te mają rezystancję dla prądu stałego od 0,11 do 0,63 Ω i wytrzymują prądy do 0,5 A. Są dostępne w 8 zakresach impedancji. Pracują w zakresie temperatur od -40 do +125°C.

Jaki kształt rdzenia jest najlepszy?

Rdzenie filtrów zwykle mają kształt toroidalny. Są co najmniej dwie przyczyny ich popularności. Przede wszystkim są one sporo tańsze niż rdzenie w innych kształtach. Wynika to głównie stąd, że stanowią one całość, w przeciwieństwie do innych, które są wykonywane jako połączenie dwóch połówek.

Gdy rdzeń składa się z kilku części, miejsce ich styku powinno być gładko wykończone, tak by szczelina powietrzna pomiędzy nimi była jak najwęższa. Uzyskanie tego wymaga precyzyjnej obróbki, a przez to i drogiej. W przypadku rdzeni toroidalnych w ogóle nie jest ona potrzebna. Ponadto rdzenie tego typu mają największą skuteczną przenikalność magnetyczną spośród wszystkich rdzeni innych kształtów.

Rys. 4. Schemat filtru IP3319CX6

Rys. 5. Przykład zastosowania filtru IP3319CX6

Na obniżenie tego parametru w przypadku tych ostatnich ma wpływ obecność szczeliny powietrznej. Może ona zmniejszyć skuteczną przenikalność magnetyczną nawet o około 30%. Wadą rdzeni toroidalnych jest wyższy koszt wykonania uzwojeń, wymaga to bowiem specjalnych maszyn albo musi być przeprowadzane ręcznie. Zwykle liczba uzwojeń nie jest jednak na tyle duża, żeby koszt ich wykonania był zaporowy

Filtr IP3319CX6 - przykład

Na rysunku 4 przedstawiono schemat, a na rysunku 5 przykład wykorzystania filtru IP3319CX6 z oferty firmy NXP. Znajduje on zastosowanie w filtrowaniu zaburzeń na wejściach interfejsów m.in. USB, Ethernet, Digital Video Interface oraz LVDS. Tłumi on sygnały wspólne o częstotliwościach powyżej 800 MHz, natomiast pasmo przenoszenia sygnałów różnicowych sięga 1 GHz. Częścią tego układu jest także obwód zabezpieczający przed wyładowaniem elektrostatycznym kontaktowym do 15 kV.

Monika Jaworowska