設(shè)計抗混疊濾波器的三大指導(dǎo)原則

抗混疊濾波器的設(shè)計包括一個過采樣架構(gòu)和一個補(bǔ)充數(shù)字抽取濾波器。這個過采樣架構(gòu)將那奎斯特頻率放置在遠(yuǎn)離信號帶寬的位置上，而數(shù)字抽取濾波器衰減大多數(shù)有害的帶外信號。當(dāng)把二者組合在一起時，它們可以實(shí)現(xiàn)更加自由的抗混疊濾波器響應(yīng)，只需幾個分立式組件即可實(shí)現(xiàn)這一功能。

圖1：用一個適當(dāng)?shù)目够殳B濾波器來阻止這些混疊

我們知道，在高精度ADC應(yīng)用中使用抗混疊濾波器是有益的，不過，設(shè)計合適的抗混疊濾波器也同樣重要—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)計抗混疊濾波器時，請考慮以下3個通用指導(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單極、低通濾波器，如圖2所示，它使用一個串聯(lián)電阻器 (R) 和共模電容器 (CCM)。設(shè)計這個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計算出單極、低通濾波器的截止頻率為-3dB：

圖2.ADC輸入上的單極、低通濾波器

有時候，一個單極、低通濾波器也許還不夠。諸如振動感測等應(yīng)用也許是用更少的過采樣來分析更寬帶寬上的信號。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，你可以添加一個包含額外RC對的第二極或第三極，以實(shí)現(xiàn)一個更加靈敏的濾波器響應(yīng)。

圖3中顯示的是，設(shè)計用于ADC的單極和雙極濾波器的響應(yīng);這個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(kuò)展至大約20kHz，并且仍然能夠在1MHz上實(shí)現(xiàn)-60dB的衰減。

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器之間的關(guān)系

很多ADC轉(zhuǎn)換兩個獨(dú)立輸入之間(例如INP與INN)的電壓，所以，設(shè)計人員經(jīng)常在每個輸入上放一個共模濾波器，以保持系統(tǒng)共模抑制 (CMR)。然而，組件容差將使任意兩個濾波器不匹配，并且會降低頻率范圍內(nèi)的CMR性能，這是因?yàn)閷餐盘柕臑V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(yīng)用，如圖4中所示，可以考慮添加一個差分濾波器，以便為2個共模濾波器提供補(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，并且生成一個更加靈敏的總體濾波器響應(yīng)。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，分母中有一個額外的因子2。

圖4.添加了一個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，不論何時都有必要將它們控制在合理的范圍內(nèi)。

電阻器噪聲—也被稱為Johnson或熱噪聲—可被建模為電壓源與你的理想“無噪聲”電阻器相串聯(lián)?？偟恼f來，你不希望電阻器熱噪聲占據(jù)整條信號鏈，那么，將其保持在ADC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，單位為開爾文。

串聯(lián)電阻也會在輸入偏置電流出現(xiàn)時引入小的偏移電壓。雖然你也許能夠在之后校準(zhǔn)這個值，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。這個采樣結(jié)構(gòu)包含一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，以及電容值大約為10pF或20pF的采樣電容器。圖5顯示的是一個經(jīng)簡化示例。

圖5.一個ADC中的經(jīng)簡化開關(guān)電容器采樣結(jié)構(gòu)

采樣期間，這個開關(guān)電容器電路在外部電路上放置了一個瞬態(tài)負(fù)載。這個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，請使用NP0/C0G類型的陶瓷電容器。較大的電容器值也會改進(jìn)總諧波失真 (THD) 等AC技術(shù)規(guī)格，不過，需牢記的是，這就增加了濾波器的RC時間常量，并且需要一個更長的穩(wěn)定時間。

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