精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛，如儀器儀表和測(cè)量、電力線繼電保 護(hù)、過(guò)程控制、電機(jī)控制等。目前，SAR 型ADC 的分辨率可 達(dá)18 位甚至更高，采樣速率為數(shù)MSPS;Σ-Δ 型ADC 的分辨 率則達(dá)到24 位甚至32 位，采樣速率為數(shù)百kSPS。為了充分 利用高性能ADC 而不限制其能力，用戶在降低信號(hào)鏈噪聲方 面(例如實(shí)現(xiàn)濾波器)面臨的困難越來(lái)越多。

本文討論在ADC 信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字濾波器以便達(dá)到最 佳性能所涉及到的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和考慮。如圖1 所示，數(shù)據(jù)采集信 號(hào)鏈可以使用模擬或數(shù)字濾波技術(shù)，或兩者的結(jié)合。精密SAR 型和Σ-Δ 型ADC 一般在第一奈奎斯特區(qū)進(jìn)行采樣，因此，本 文將著重討論低通濾波器。本文的意圖不是討論低通濾波器的 具體設(shè)計(jì)技術(shù)，而是討論其在ADC 電路中的應(yīng)用。

圖1.一般數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

理想濾波器和實(shí)際濾波器

理想低通濾波器應(yīng)當(dāng)具有很陡的過(guò)渡帶，其通帶應(yīng)具有出色的 增益平坦度，如圖2 中的磚墻虛線所示。此外，阻帶衰減應(yīng)將 任何殘余帶外信號(hào)降低至0。某些常用實(shí)際濾波器的響應(yīng)如圖2 中的彩色線條所示。如果通帶增益不平坦或有紋波，這種響應(yīng) 可能會(huì)影響基頻信號(hào)。阻帶衰減不是無(wú)限的，會(huì)限制對(duì)帶外噪 聲的篩選。過(guò)渡帶也可能沒(méi)有陡峭的滾降，導(dǎo)致對(duì)截止頻率周 圍的噪聲衰減不佳。另外，所有非理想濾波器都會(huì)引入相位延 遲或群延遲。

圖2.理想濾波器與實(shí)際濾波器的幅度響應(yīng)對(duì)比

模擬濾波器與數(shù)字濾波器

模擬低通濾波器可以在ADC 轉(zhuǎn)換之前消除信號(hào)路徑中的高頻 噪聲和干擾，幫助避免混疊噪聲污染信號(hào)。它還能消除濾波器 帶寬之外的過(guò)驅(qū)信號(hào)的影響，避免調(diào)制器飽和。發(fā)生輸入過(guò)壓 時(shí)，模擬濾波器還能限制輸入電流，衰減輸入電壓。因此，它 能保護(hù)ADC 輸入電路。疊加于接近滿量程信號(hào)上的噪聲尖峰 可能會(huì)讓ADC 的模擬調(diào)制器飽和，必須利用模擬濾波器將其 衰減。

由于數(shù)字濾波發(fā)生在轉(zhuǎn)換之后，因而可以移除轉(zhuǎn)換過(guò)程中注入 的噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣速率遠(yuǎn)高于奈奎斯特理論指出的 兩倍基頻信號(hào)頻率。因此，后置數(shù)字濾波器可以利用針對(duì)更高 信噪比和更高分辨率的濾波技術(shù)來(lái)降低轉(zhuǎn)換過(guò)程中注入的噪 聲，例如：信號(hào)帶寬之外的輸入噪聲、電源噪聲、基準(zhǔn)源噪聲、 數(shù)字接口饋通噪聲、ADC 芯片熱噪聲或量化噪聲。

表1簡(jiǎn)要列出了模擬濾波器與數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表1.模擬濾波器與數(shù)字濾波器

多通道匹配誤差 是 否

模擬濾波器考慮

抗混疊濾波器放在ADC 之前，因此這些濾波器必須為模擬濾 波器。理想抗混疊濾波器具有如下特性：通帶內(nèi)具有單位增益， 無(wú)增益變化，混疊衰減水平與所用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理論動(dòng)態(tài)范 圍一致。

根據(jù)架構(gòu)不同，ADC 會(huì)有不同的輸入電阻，這會(huì)影響輸入濾 波器設(shè)計(jì)。以下考慮關(guān)系到ADC 模擬輸入濾波器的設(shè)計(jì)。

與ADC 前端接口的RC 抗混疊濾波器的限制

在Alan Walsh 為Analog Dialogue 雜志撰寫的文章精密SAR 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端和放大器和RC 濾波器設(shè)計(jì)中，有一個(gè) 針對(duì) AD7980 ADC 的RC 濾波器應(yīng)用示例，如圖3 所示。

算出的RC 濾波器是一個(gè)低通濾波器，截止帶寬為3.11 MHz。 但是，某些設(shè)計(jì)人員可能會(huì)意識(shí)到，3.11 MHz 遠(yuǎn)大于100 kHz 的輸入信號(hào)頻率，因此，該濾波器無(wú)法有效降低帶外噪聲。為 實(shí)現(xiàn)更高動(dòng)態(tài)范圍，可以換用590 Ω 電阻，以獲得100 kHz 的 –3 dB 帶寬。這種方法主要有兩個(gè)問(wèn)題。由于通帶中會(huì)有更多 衰減，對(duì)于AD7980 ADC 示例，100 kHz 附近的幅度衰減最高 可達(dá)30%，因此，信號(hào)鏈精度會(huì)大大降低。帶寬越小，則建立 時(shí)間越長(zhǎng)，這使得AD7980 的內(nèi)部采樣保持電容無(wú)法在指定的 采集時(shí)間內(nèi)完成充電，因而無(wú)法執(zhí)行下一次有效轉(zhuǎn)換。這導(dǎo)致 ADC 轉(zhuǎn)換精度降低。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)確保ADC 之前的RC 濾波器能在目標(biāo)采集時(shí)間內(nèi) 完全建立。這對(duì)需要較大輸入電流或具有等效的較小輸入阻抗 的精密ADC 來(lái)說(shuō)異常重要。某些Σ-Δ 型ADC 在無(wú)緩沖輸入模 式下對(duì)輸入RC 值的要求最高?？梢詫⒕哂休^大電阻或電容的超 窄低通濾波器放在一般具有較大輸入阻抗的輸入放大器之前。 或者可以選擇具有極高輸入阻抗的ADC，例如ADAS3022，其 輸入阻抗為500 MΩ。

圖3.采用16 位1 MSPS ADC AD7980 的RC 濾波器

1. 多路復(fù)用采樣信號(hào)鏈的濾波器建立時(shí)間

在通道間切換時(shí)，多路復(fù)用輸入信號(hào)通常含有較大的階躍。最 差情況下，一個(gè)通道處于負(fù)滿量程，而下一個(gè)通道則處于正滿 量程(見圖4)。這種情況下，當(dāng)多路復(fù)用器切換通道時(shí)，輸入 階躍大小將是ADC 的滿量程。

對(duì)于這些通道，可以在多路復(fù)用器之后使用一個(gè)單通道濾波 器，使得設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，成本更低。如上所述，模擬濾波器必定 會(huì)引入建立時(shí)間。每次多路復(fù)用器在通道間切換時(shí)，該單通道 濾波器都必須充電到所選通道的值，因而會(huì)限制吞吐速率。為 提高吞吐速率，可以在多路復(fù)用器之前為每個(gè)通道添加一個(gè)濾 波器，但這樣做會(huì)提高成本。

圖4.多路復(fù)用輸入信號(hào)鏈

2. 通帶平坦度和過(guò)渡帶限制與噪聲的關(guān)系

遭遇高噪聲的應(yīng)用，尤其是在接近第一奈奎斯特區(qū)邊緣處發(fā)生 很高干擾的應(yīng)用，需要滾降厲害的濾波器。然而，人們已從實(shí)際模擬低通濾波器得知：從低頻到高頻，幅 度會(huì)滾下來(lái)，并有一個(gè)過(guò)渡帶。增加濾波器級(jí)數(shù)或階數(shù)可以改 善帶內(nèi)信號(hào)的平坦度，并使過(guò)渡帶收窄。然而，這些濾波器的 設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儗?duì)增益匹配非常敏感，以至于無(wú)法實(shí)現(xiàn) 數(shù)階的衰減幅度。此外，在信號(hào)鏈中增加任何元件(如電阻或 放大器)都會(huì)引入帶內(nèi)噪聲。

圖5.不同階數(shù)的理想巴特沃茲濾波器過(guò)渡帶

對(duì)于某些具體應(yīng)用，模擬濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和性能需要進(jìn)行 取舍。例如，在采用AD7606 的電力線繼電器保護(hù)應(yīng)用中，對(duì) 于50 Hz/60 Hz 基頻輸入信號(hào)及其相關(guān)前五次諧波，保護(hù)通道 的精度要求低于測(cè)量通道。保護(hù)通道可以使用一個(gè)一階RC 濾 波器，而測(cè)量通道使用二階RC 濾波器，以便提供更好的帶內(nèi) 平坦度和更急劇的滾落過(guò)渡。

3. 同步采樣的相位延遲和匹配誤差

濾波器設(shè)計(jì)不僅僅關(guān)系到頻率設(shè)計(jì)，用戶可能還需要考慮模擬 濾波器的時(shí)域特性和相位響應(yīng)。在某些實(shí)時(shí)應(yīng)用中，相位延遲 可能非常重要。如果相位隨輸入頻率而變化，那么相位變動(dòng)將 更糟糕。濾波器的相位變化一般用群延遲來(lái)衡量。對(duì)于非常數(shù) 群延遲，信號(hào)會(huì)在時(shí)間中擴(kuò)散，導(dǎo)致脈沖響應(yīng)變得很差。

對(duì)于多通道同步采樣應(yīng)用，例如電機(jī)控制或電力線監(jiān)控中的相 電流測(cè)量，還應(yīng)考慮相位延遲匹配誤差。確保濾波器在多個(gè)通 道上引起的額外相位延遲匹配誤差可以忽略不計(jì)，或者在工作 溫度范圍的信號(hào)鏈誤差預(yù)算范圍內(nèi)。

4.低失真和低噪聲應(yīng)用的元件選擇挑戰(zhàn)

對(duì)于低諧波失真和低噪聲應(yīng)用，用戶必須為信號(hào)鏈設(shè)計(jì)選擇合 乎要求的元件。模擬電子元件不是完全線性的，會(huì)引起諧波失 真。Walsh 的文章中討論了如何選擇低失真放大器和如何計(jì)算 放大器噪聲。放大器等有源元件需要低THD + N，同時(shí)也要考 慮普通電阻和電容等無(wú)源元件的失真和噪聲。