模擬濾波器注入噪聲原理及設計

模擬濾波器注入噪聲原理及設計

有時(shí)候，事情根本沒(méi)有意義！例如，您 Δ-Σ ADC 輸入端 RC 濾波器或放大器的低通濾波器會(huì )產(chǎn)生更大噪聲的數字輸出。難道您沒(méi)有設計過(guò)降低噪聲的濾波器來(lái)讓您從轉換器獲得更多而非更少的無(wú)噪聲位嗎？通過(guò)一個(gè)模擬低通濾波器消除更高頻率噪聲，同將噪聲注入到您濾波器截止頻率以下的頻帶一樣容易。如果您的濾波器在相關(guān)頻帶中產(chǎn)生噪聲，那么相比您的預期，您的轉換輸出結果噪聲會(huì )更大。

如果您通過(guò)減少您濾波器的電阻值來(lái)修改您的電路設計，那么您會(huì )增加電路的無(wú)噪聲位。

圖1

例如，圖 1 所示 Δ-Σ ADC 使用一個(gè)低通濾波器來(lái)降低轉換器輸出數據速率以上的噪聲，即 FD。利用這種濾波器后，使用 Δ-Σ 轉換器的輸出數據速率來(lái)選擇該電路的電阻和電容值。您可以使用公式 FD=1/(2πRFLT×CFLT)，來(lái)計算 RFLT（濾波器電阻）和 CFLT（濾波器電容）的值。RFLT/2 和 CFLT 的組合開(kāi)始生效時(shí)（請參見(jiàn)參考文獻 1），該濾波器通過(guò)限定 (target) 轉換器的采樣頻率來(lái)降低噪聲。

該設計公式中缺少的細節是電阻噪聲。不存在無(wú)噪電阻這樣的東西。理想電阻噪聲情況是：k 為波爾茲曼常數（1.38×10–23×JK–1），T 為開(kāi)爾文溫標 (Kelvin)溫度，R 為 25°C 條件下歐姆單位的額定電阻，而 B 為以赫茲為單位的相關(guān)帶寬。

現在，讓我們來(lái)搞清楚電阻噪聲公式是怎么一回事。您注入到您電路的噪聲達到輸出數據速率，其等于電阻噪聲。要確定這種電路的最大允許電阻值，請使用下列方程式：

圖 1 描述了該公式的特征，其中 ER 為 ADC 廠(chǎng)商產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規定有效精度。如果您在 200 Hz 數據速率下運行您的 23-bit 有效精度 Δ-Σ 轉換器，則濾波器電阻的最大值為 4.297 kΩ 或者更低，而 RFLT/2 為 2.148 kΩ 或者更低。

參考文獻
《沒(méi)有意義的 13 件事情》，作者：Brooks, Michael，《新科學(xué)家》， 2005 年 3 月 19 日。
《模擬濾波器簡(jiǎn)化 Δ-Σ 轉換器設計》，作者：Baker, Bonnie，EDN，2008 年 6 月 12 日，第 24 頁(yè)。
《數據轉換器》，TI