設計抗混疊濾波器的三個(gè)指導原則

　　我們知道，在高精度ADC應用中使用抗混疊濾波器是有益的，不過(guò)，設計合適的抗混疊濾波器也同樣重要—如果你不小心的話(huà)，就像把有害誤差從系統中消除一樣，很容易將有害誤差引入到你的系統中。在為你的應用設計抗混疊濾波器時(shí)，請考慮以下3個(gè)通用指導原則。

　　1.選擇你的濾波器截止頻率

　　最簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器是一個(gè)單極、低通濾波器，如圖1所示，它使用一個(gè)串聯(lián)電阻器 (R) 和共模電容器 (CCM)。設計這個(gè)濾波器的第一步就是選擇所需的截止頻率，fC。在fC上，濾波器的響應滾降至-3dB，并且在頻率域范圍內繼續以-20dB/十倍頻的速度減少。

　　選擇一個(gè)比ADC調制器采樣頻率，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倍或更高倍數打壓帶外噪聲。對于增加的衰減，通過(guò)增加R和CCM的值來(lái)進(jìn)一步減少截止頻率。你的數字抽取濾波器的用途就是提供幫助，所以就沒(méi)有必要在所需信號帶寬之后立即設定你的抗混疊濾波器截止頻率。

　　方程式1計算出單極、低通濾波器的截止頻率為-3dB：

　　圖1.ADC輸入上的單極、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)感測等應用也許是用更少的過(guò)采樣來(lái)分析更寬帶寬上的信號。這就使數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對的第二極或第三極，以實(shí)現一個(gè)更加靈敏的濾波器響應。

　　圖2中顯示的是，設計用于A(yíng)DC的單極和雙極濾波器的響應;這個(gè)ADC在fMOD= 1MHz上對輸入進(jìn)行采樣。雙極濾波器扁平通帶向外擴展至大約20kHz，并且仍然能夠在1MHz上實(shí)現-60dB的衰減。

　　圖2.單極和雙極低通濾波器的頻率響應

　　2.考慮差分與共模濾波器之間的關(guān)系

　　很多ADC轉換兩個(gè)獨立輸入之間(例如INP與INN)的電壓，所以，設計人員經(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 )降低頻率范圍內的CMR性能，這是因為對共同信號的濾波操作不同。這就通過(guò)人們已知的共模至差分轉換產(chǎn)生一個(gè)差分信號誤差。

　　方程式2使用電阻器容差，RTOL，和電容器容差，CTOL，計算出共?？够殳B濾波器在指定頻率下的CMR：

　　對于需要高CMR的應用，如圖3中所示，可以考慮添加一個(gè)差分濾波器，以便為2個(gè)共模濾波器提供補充。通過(guò)將差分電容器CDIFF增加到比CCM大10倍，將差分截止頻率設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。方程式3計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。

　　圖3.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。

　　電阻器噪聲—也被稱(chēng)為Johnson或熱噪聲—可被建模為電壓源與你的理想“無(wú)噪聲”電阻器相串聯(lián)?？偟恼f(shuō)來(lái)，你不希望電阻器熱噪聲占據整條信號鏈，那么，將其保持在A(yíng)DC的噪底以下就非常重要。方程式4計算出電阻器熱噪聲的噪聲密度，vn：

　　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(kāi)爾文。

　　串聯(lián)電阻也會(huì )在輸入偏置電流出現時(shí)引入小的偏移電壓。雖然你也許能夠在之后校準這個(gè)值，不過(guò)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調制器的開(kāi)關(guān)電容器采樣結構相連。這個(gè)采樣結構包含一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )，以及電容值大約為10pF或20pF的采樣電容器。圖4顯示的是一個(gè)經(jīng)簡(jiǎn)化示例。

　　圖4.一個(gè)ADC中的經(jīng)簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電容器采樣結構

　　采樣期間，這個(gè)開(kāi)關(guān)電容器電路在外部電路上放置了一個(gè)瞬態(tài)負載。這個(gè)濾波電容器幫助減少來(lái)自調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、以及穩定的電氣特性，請使用NP0/C0G類(lèi)型的陶瓷電容器。較大的電容器值也會(huì )改進(jìn)總諧波失真 (THD) 等AC技術(shù)規格，不過(guò)，需牢記的是，這就增加了濾波器的RC時(shí)間常量，并且需要一個(gè)更長(cháng)的穩定時(shí)間。

　　我希望這3條指導原則已經(jīng)使你為下一次的抗混疊濾波器設計做好準備。