如何組合使用低通濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器獲取20 V p-p信號

第第頁如何組合使用低通濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器獲取20Vp-p信號問題：

為何要組合使用低通濾波器(LPF)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)驅(qū)動(dòng)器？

答案：

為了減小模擬信號鏈的尺寸，降低其成本，并提供ADC抗混疊保護(hù)（ADC采樣頻率周圍頻段中的ADC輸入信號不受數(shù)字濾波器保護(hù)，必須由模擬低通濾波器(LPF)進(jìn)行衰減）。20Vp-pLPF驅(qū)動(dòng)器一般用于工業(yè)、科技和醫(yī)療(ISM)設(shè)備中，該設(shè)備必須使用具有更低滿量程輸入的高速ADC對傳統(tǒng)的20Vp-p信號范圍進(jìn)行數(shù)字化處理。

簡介

通過驅(qū)動(dòng)ADC實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的混合信號性能，這是一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器ADC電路。在ADC采集期間，采樣電容將反沖RC濾波器中指數(shù)衰減的電壓和電流。混合信號ADC驅(qū)動(dòng)器電路的最佳性能受到多個(gè)變量影響。驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間、RC濾波器的時(shí)間常數(shù)、驅(qū)動(dòng)阻抗，以及ADC采樣電容的反沖電流在采樣時(shí)間內(nèi)相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生采樣誤差。采樣誤差隨著ADC位數(shù)、輸入頻率和采樣頻率的增大而增大。

標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器具有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，可用于可靠的設(shè)計(jì)流程。但缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來引導(dǎo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)ADC的低通濾波器設(shè)計(jì)。本文介紹集成模擬低通濾波、信號壓縮和ADC驅(qū)動(dòng)器的LPF驅(qū)動(dòng)器電路（參見圖2）。

表1列出了圖2所示電路的性能變量。下方的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析旨在引導(dǎo)說明，給出圖2所示的電路的時(shí)間和頻率響應(yīng)限值。

表1.圖2所示電路的性能變量

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析

信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)是衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的兩個(gè)重要參數(shù)。能否實(shí)現(xiàn)最佳性能，取決于ADC和信號調(diào)理級的組合，在本文中，后者包括三階低通濾波器和單端至差分轉(zhuǎn)換器。圖2所示的LPF驅(qū)動(dòng)器電路的–3dB帶寬和建立時(shí)間會(huì)有所不同，有關(guān)SNR和THD的測量值，請參見表2至表5。本文將會(huì)探討受測變量和這些變量對系統(tǒng)性能的影響。

低通濾波器–3dB帶寬

比較信號帶寬為1MHz與2MHz和0.5MHz時(shí)系統(tǒng)的性能。當(dāng)–3dB點(diǎn)分別為558kHz、1MHz、和2.3MHz，其性能如表2所示。將截止頻率降低至558kHz，LPF噪聲帶寬隨之降低，但SNR提高。將截止頻率增大至1MHz或2.3MHz，LPF驅(qū)動(dòng)器建立時(shí)間縮短，THD降低。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器。

圖2.LPF驅(qū)動(dòng)器和ADC電路。

表2.R=750Ω時(shí)三種截止頻率對應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

更改圖2所示的R或C可以更改截止頻率。使用C電容來設(shè)置截止頻率時(shí)，LPF驅(qū)動(dòng)器THD更低；R電阻值降低，有助于略微改善SNR；如表3所示。

表3.R=412Ω時(shí)三種截止頻率對應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

設(shè)置RQ電阻（圖2）

LPF的RQ電阻可設(shè)置時(shí)間響應(yīng)。RQ越高，過沖越大，建立時(shí)間越長。RQ越低，過沖越小，建立時(shí)間越短。圖3顯示使用150?和75?RQ電阻時(shí)對應(yīng)的LPF瞬態(tài)響應(yīng)。我們測試了使用不同的RQ時(shí)LPF驅(qū)動(dòng)器的性能，測試結(jié)果如表4所示。

圖3.不同的RQ值對應(yīng)的過沖和建立時(shí)間。

表4.不同的RQ值對應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

根據(jù)實(shí)際測量得出的數(shù)據(jù)，使用75?和150?RQ對SNR和THD性能沒有明顯影響，只是影響過沖和建立時(shí)間的一個(gè)因素。

ADC采樣速率

表5中的數(shù)據(jù)顯示，如果使用LTC2387-18，在10MSPS時(shí)系統(tǒng)的THD性能低于15MSPS時(shí)（在10MSPS時(shí)，圖2中的RC驅(qū)動(dòng)器電容C3和C4的值為180pF）。

注：在10MSPS時(shí)，LTC2387-18和LTC2386-18的采樣時(shí)間分別為61ns和50ns。

表5.采樣速率為10MSPS和15MSPS時(shí)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

RC濾波器

驅(qū)動(dòng)器和ADC之間的RC濾波器用于限制帶寬，確保實(shí)現(xiàn)寬帶寬低噪聲，且實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的信噪比。RC數(shù)值決定–3dB截止頻率。降低R有時(shí)可能導(dǎo)致響鈴振蕩和不穩(wěn)定。增大R會(huì)增大采樣誤差。使用更低的C值，會(huì)導(dǎo)致更高的電荷反沖，但充電時(shí)間更快。使用更高的C值，可以降低電荷反沖，但充電時(shí)間會(huì)變慢。此外，設(shè)置RC值是確保在給定的采樣時(shí)間內(nèi)獲取穩(wěn)定樣本的關(guān)鍵。使用數(shù)據(jù)手冊的推薦值和精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具給出的建議值會(huì)是一個(gè)非常不錯(cuò)的起點(diǎn)。

精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具是一款綜合工具，可以幫助預(yù)測在驅(qū)動(dòng)器和ADC之間使用不同的RC值系統(tǒng)的性能?？梢允褂眠@款工具檢查的參數(shù)包括電荷反沖、采樣誤差和采樣時(shí)間。

使用25?和180pFRC實(shí)現(xiàn)更低的–3dB截止頻率時(shí)，輸入信號建立時(shí)間和電荷反沖會(huì)受到影響。要實(shí)現(xiàn)更低的–3dB截止頻率，并確保輸入信號在采集時(shí)間內(nèi)正確建立，我們可能需要使用更低的采樣速率。根據(jù)LTC2387-18數(shù)據(jù)手冊，采樣時(shí)間通常是周期時(shí)間減去39ns。在15MSPS使用LTC2387-18時(shí)，采樣時(shí)間為27.67ns，在10MSPS使用此器件時(shí)，采樣時(shí)間為61ns。

圖4.使用不同采樣速率時(shí)的電荷反沖、RC_Tau、采樣時(shí)間：(a)15MSPS采樣速率，LTC2387-18使用建議的RC值（25Ω和82pF），(b)15MSPS采樣速率，LTC2386-18使用建議的RC值（25Ω和180pF），(c)10MSPS采樣速率，LTC2386-18使用建議的RC值（25Ω和180pF）。

借助精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具，圖4a至4c匯總列出了使用不同的RC值時(shí)對應(yīng)的反沖差值和RC時(shí)間常數(shù)(Tau)，以及采樣速率為10MSPS和15MSPS時(shí)的采樣時(shí)間。圖4a顯示LTC2387-18在15MSPS采樣速率下，使用推薦RC值（25?和82pF）時(shí)的建立響應(yīng)。圖4b顯示在C為180pF時(shí)，得出的RC時(shí)間常數(shù)更高，這導(dǎo)致在15MSPS采樣速率、27.6ns采樣時(shí)間內(nèi)輸入信號無法建立。圖4c使用與圖4b相同的RC值（25?和180pF），但在使用10MSPS采樣速率、采樣時(shí)間增加至61ns之后，信號能夠建立。

LPF驅(qū)動(dòng)器電阻選擇

可以通過更改R或C來實(shí)現(xiàn)LPF驅(qū)動(dòng)器的–3dB截止頻率。電阻噪聲是系統(tǒng)總噪聲的組成部分。根據(jù)噪聲計(jì)算公式，從理論上來說，降低電阻值可以降低電阻噪聲。為了進(jìn)行驗(yàn)證，我們嘗試了兩個(gè)不同的電阻值作為LPF驅(qū)動(dòng)器R，分別是750?和412?。從理論來說，R更低時(shí)得出的SNR應(yīng)該更佳，但從實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)來看，如表2和表3所示，SNR并無很大改善，相反，這會(huì)對THD性能產(chǎn)生更大影響。

LPF電阻（圖1中的R）越低，放大器所需的電流越大。使用更低的電阻值時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電流高于最大線性驅(qū)動(dòng)電流。

放大器驅(qū)動(dòng)器選擇

在選擇要使用的ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，實(shí)現(xiàn)器件最佳性能所對應(yīng)的規(guī)格至關(guān)重要。我們使用兩個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器來收集數(shù)據(jù)，分別是ADA4899-1和LTC6228。這些ADC驅(qū)動(dòng)器非常適合用于驅(qū)動(dòng)LTC2387-18，后者用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測量。在選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)考慮的一些規(guī)格包括帶寬、電壓噪聲、諧波失真和電流驅(qū)動(dòng)能力。根據(jù)已完成的測試，從THD和SNR這兩個(gè)方面來看，ADA4899-1和LTC6228的性能差異可以忽略。

LPF設(shè)計(jì)和應(yīng)用指南

圖5顯示LPF電路。5個(gè)相同電阻（R1至R5）、1個(gè)用于調(diào)節(jié)LPF時(shí)間響應(yīng)的電阻(RQ)、2個(gè)相同的接地電容（C1和C2），以及1個(gè)數(shù)值為接地電容1/10的反饋電容(C3)，這些器件構(gòu)成了LPF無源組件（±1%電阻和±5%電容）。

圖5.LPF電路。

簡單的LPF設(shè)計(jì)流程（注1）R1至R5=R，C1和C2=C。

要盡量降低失真，電阻R1至R5的值必須在600?至750?范圍內(nèi)。

?設(shè)置R=750??C=1.5E9/f3dB（最接近標(biāo)準(zhǔn)的5%電容pF），f3dB為LPF–3dB頻率（注2）?例如：如果f3dB為1MHz，那么C=(1.5E9)/(1E6)=1500pF?C3=C/10?RQ=R/5或R/10（注3和4）

注1.簡單的濾波器設(shè)計(jì)只需要一個(gè)計(jì)算器，無需使用非線性s域公式。

注2.如果R=619?，那么C=1.8E9/f3dB，f3dB為LPF–3dB頻率。

注3.RQ=R/5，用于實(shí)現(xiàn)最大阻帶衰減，RQ=R/10，用于實(shí)現(xiàn)低過沖和快速建立時(shí)間。

采用RQ/5和RQ/10時(shí)，在10×f–3dB時(shí)，阻帶衰減分別為–70dB和–62dB。

注4.如果RQ=R/10，–3dB頻率比RQ=R/5時(shí)低7%，也就是說，R1至R5等于RQ/5時(shí)R的0.93。

注5.LPF驅(qū)動(dòng)器差分輸出至ADC輸入的PCB線路距離為1’或更低。

注6.LPF運(yùn)算放大器的VCC和VEE分別為6V和–1V，輸出線性電壓擺幅為0V至4.098V。

結(jié)論

根據(jù)表2至表5的SNR和THD數(shù)據(jù)，我們可以了解圖2所示電路的性能。通過增大電容來降低LPF帶寬，這會(huì)增大SNR（降低LPF噪聲帶寬）。LPF帶寬越低，失真程度越高（因?yàn)長PF建立時(shí)間比實(shí)現(xiàn)最低采樣誤差所需的時(shí)間長）。此外，如果LPF電阻值太低，THD會(huì)隨之降低，因?yàn)長PF運(yùn)算放大器需要驅(qū)動(dòng)反饋電阻和反相運(yùn)算放大器輸入電阻（運(yùn)算放大器輸出電流更高時(shí)，失真程度降低）。

LTC2387-18ADC采用10MSPS采樣頻率時(shí)，LPF通帶必須為1MHz或高于1MHz，以盡可能降低THD。將LPF設(shè)置為1MHz