精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑.PDFVIP

精密 ADC 用滤波器设计的 实际挑战和考虑 作者：Steven Xie 简介 精密模数转换器应用广泛，如仪器仪表和测量、电力线继电保 护、过程控制、电机控制等。目前，SAR 型 ADC 的分辨率可 达 18 位甚至更高，采样速率为数 MSPS；Σ-Δ 型 ADC 的分辨 率则达到 24 位甚至 32 位，采样速率为数百 kSPS。为了充分 利用高性能 ADC 而不限制其能力，用户在降低信号链噪声方 面（例如实现滤波器）面临的困难越来越多。 本文讨论在 ADC 信号链中实现模拟和数字滤波器以便达到最 佳性能所涉及到的设计挑战和考虑。如图 1 所示，数据采集信 号链可以使用模拟或数字滤波技术，或两者的结合。精密 SAR 型和 Σ-Δ 型 ADC 一般在第一奈奎斯特区进行采样，因此，本 文将着重讨论低通滤波器。本文的意图不是讨论低通滤波器的 图 2.理想滤波器与实际滤波器的幅度响应对比 具体设计技术，而是讨论其在 ADC 电路中的应用。 模拟滤波器与数字滤波器 模拟输入 模拟低通 或 型 数字滤波器 调整 SAR Σ-Δ 信号 滤波器 ADC (FPGA/CPU) 模拟低通滤波器可以在 ADC 转换之前消除信号路径中的高频 噪声和干扰，帮助避免混叠噪声污染信号。它还能消除滤波器 图 1.一般数据采集信号链 带宽之外的过驱信号的影响，避免调制器饱和。发生输入过压 时，模拟滤波器还能限制输入电流，衰减输入电压。因此，它 理想滤波器和实际滤波器 能保护 ADC 输入电路。叠加于接近满量程信号上的噪声尖峰 理想低???滤波器应当具有很陡的过渡带，其通带应具有出色的 可能会让 ADC 的模拟调制器饱和，必须利用模拟滤波器将其 增益平坦度，如图 2 中的砖墙虚线所示。此外，阻带衰减应将 衰减。 任何残余带外信号降低至 0。某些常用实际滤波器的响应如图 2 中的彩色线条所示。如果通带增益不平坦或有纹波，这种响应 由于数字滤波发生在转换之后，因而可以移除转换过程中注入 可能会影响基频信号。阻带衰减不是无限的，会限制对带外噪 的噪声。在实际应用中，采样速率远高于奈奎斯特理论指出的 声的筛选。过渡带也可能没有陡峭的滚降，导致对截止频率周 两倍基频信号频率。因此，后置数字滤波器可以利用针对更高 围的噪声衰减不佳。另外，所有非理想滤波器都会引入相位延