抗混疊濾波器設(shè)計(jì)方案

1、抗混疊濾波器設(shè)計(jì)n抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)包括一個(gè)過采樣架構(gòu)和一個(gè)補(bǔ)充數(shù)字抽取濾波器。這個(gè)過采樣架構(gòu)將那奎斯特頻率放置在遠(yuǎn)離信號(hào)帶寬的位置上， 而數(shù)字抽取濾波器衰減大多數(shù)有害的帶外信號(hào)。當(dāng)把二者組合在一起 時(shí)，它們可以實(shí)現(xiàn)更加自由的抗混疊濾波器響應(yīng)，只需幾個(gè)分立式組 件即可實(shí)現(xiàn)這一功能。我們知道，在高精度ADOS用中使用抗混疊濾波器是有益的，不過， 設(shè)計(jì)合適的抗混疊濾波器也同樣重要一如果你不小心的話，就像把有害誤差從系統(tǒng)中消除一樣，很容易將有害誤差引入到你的系統(tǒng)中。 在為你的應(yīng)用設(shè)計(jì)抗混疊濾波器時(shí)，請(qǐng)考慮以下 3個(gè)通用指導(dǎo)原則：1. 選擇你的濾波器截止頻率最簡單的抗混疊濾波器是一個(gè)單極、低通濾波器，

2、如圖2所示，它使用一個(gè)串聯(lián)電阻器（R）和共模電容器（CCM）。設(shè)計(jì)這個(gè)濾波器的第 一步就是選擇所需的截止頻率，fC。在fC上，濾波器的響應(yīng)滾降至 -3dB,并且在頻率域范圍內(nèi)繼續(xù)以-20dB/十倍頻的速度減少。選擇一個(gè)比ADC調(diào)制器采樣頻率，fMOD至少低十倍頻的截止頻率， 其目的在于，在這些頻率上以10倍或更高倍數(shù)打壓帶外噪聲。對(duì)于 增加的衰減，通過增加 R和CCM的值來進(jìn)一步減少截止頻率。我在 上一篇文章中提到過，你的數(shù)字抽取濾波器的用途就是提供幫助，所 以就沒有必要在所需信號(hào)帶寬之后立即設(shè)定你的抗混疊濾波器截止 頻率。方程式1計(jì)算出單極、低通濾波器的截止頻率為-3dB：圖2.ADC輸入上

3、的單極、低通濾波器有時(shí)候，一個(gè)單極、低通濾波器也許還不夠。諸如振動(dòng)感測等應(yīng)用也 許是用更少的過采樣來分析更寬帶寬上的信號(hào)。這就使數(shù)字抽取濾波 器的通帶更加靠近fMOD并且使得抗混疊濾波器的滾降空間更小。在這些情況下，你可以添加一個(gè)包含額外 RC對(duì)的第二極或第三極， 以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加靈敏的濾波器響應(yīng)。圖3中顯示的是，設(shè)計(jì)用于 ADC的單極和雙極濾波器的響應(yīng)；這個(gè)ADC在 fMOD = IMHzh對(duì)輸入進(jìn)行采樣。雙極濾波器扁平通帶向外擴(kuò) 展至大約20kHz,并且仍然能夠在IMHzh實(shí)現(xiàn)-60dB的衰減。www. d i angon. com圖3.單極和雙極低通濾波器的頻率響應(yīng)2. 考慮差分與共模濾波

4、器之間的關(guān)系很多ADC專換兩個(gè)獨(dú)立輸入之間（例如INP與INN）的電壓，所以， 設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在每個(gè)輸入上放一個(gè)共模濾波器，以保持系統(tǒng)共模抑制 （CMR。然而，組件容差將使任意兩個(gè)濾波器不匹配，并且會(huì)降低頻 率范圍內(nèi)的CMR性能，這是因?yàn)閷?duì)共同信號(hào)的濾波操作不同。 這就通 過人們已知的共模至差分轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)誤差。方程式2使用電阻器容差，RTOL和電容器容差，CTOL計(jì)算出共模RtdiJ% 1 l (%)I ioo抗混疊濾波器在指定頻率下的 CMR :20 x log q (2)亡www-d i angon- com對(duì)于需要高CMR勺應(yīng)用，如圖4中所示，可以考慮添加一個(gè)差分濾波器，以便為2

5、個(gè)共模濾波器提供補(bǔ)充。通過將差分電容器CDIFF增加到比CCM大 10倍，將差分截止頻率設(shè)定為比共模截止頻率低 10倍 頻。這樣可以減輕由共模組件不匹配所引入的誤差，并且生成一個(gè)更加靈敏的總體濾波器響應(yīng)。方程式3計(jì)算出差分低通濾波器的截止頻 率。需要注意的是，分母中有一個(gè)額外的因子 2。fc （Hz）=2 x 2R x CDFFRRADC圖4.添加了一個(gè)差分濾波器的共模濾波器3. 選擇合適的組件值將電阻器添加到信號(hào)路徑中將在測量中引入有害噪聲和誤差，所以，不論何時(shí)都有必要將它們控制在合理的范圍內(nèi)。電阻器噪聲一也被稱為 Johnson或熱噪聲一可被建模為電壓源與你 的理想“無噪聲”電阻器相串聯(lián)。

6、 總的說來，你不希望電阻器熱噪聲占據(jù)整條信號(hào)鏈，那么，將其保持在 ADC勺噪底以下就非常重要。方程式4計(jì)算出電阻器熱噪聲的噪聲密度，vn：Yn hV/vRz) = 74xkxTxRd i arignn com在這里，k =玻爾茲曼常量(1.38E-23 J/K)，而T是溫度值，單位 為開爾文。串聯(lián)電阻也會(huì)在輸入偏置電流出現(xiàn)時(shí)引入小的偏移電壓。 雖然你也許 能夠在之后校準(zhǔn)這個(gè)值，不過還是要盡可能地限制電阻器尺寸， 特別 是在偏置電流有可能變得很大時(shí)更應(yīng)如此。與濾波器電阻器不同，你能夠使用的電容器的值越高，效果就越好。 如需了解其中的原因，就必須知道 ADC是如何對(duì)輸入進(jìn)行采樣的不包含集成緩沖器的增量-累加ADC的輸入直接與ADC調(diào)制器的開關(guān) 電容器采樣結(jié)構(gòu)相連。這個(gè)采樣結(jié)構(gòu)包含一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，以及電容值 大約為10pF或20pF的采樣電容器。圖5顯示的是一個(gè)經(jīng)簡化示例。www. d i angotk cqeji圖5. 一個(gè)ADC中的經(jīng)簡化開關(guān)電容器采樣結(jié)構(gòu)米樣期間，這個(gè)開關(guān)電容器電路在外部電路上放置了一個(gè)瞬態(tài)負(fù)載。 這個(gè)濾波電容器幫助減少來自調(diào)制器的采樣電荷注入，并且提供為采樣電容器，CSAMPLE充電所需的某些瞬時(shí)電流。濾波電容器越大， 可用的電荷就越多。由于其高 Q因子、低溫度系數(shù)、以及穩(wěn)定的電氣 特性，請(qǐng)使用NP0/C0啖型