高精度SAR模数转换器的抗混叠滤波考虑因素

关键词： SAR , 模数转换 , 抗混叠

Antialiasing Filtering Considerations for High Precision SAR Analog-to-Digital Converters

作者：Patrick Butler，ADI公司

简介

在物联网和云计算成为生活一部分，在行业媒体大肆宣扬之际，通过采用最先进的技术和优化设计，老式电子元件并未停止前进的步伐。其中一个例子是模数转换器，该器件现在可以超过每秒一兆次采样(MSPS)的速率实现32位分辨率，轻松通过传统的计量基准测试。

这些高精度转换器可以显示高于16位的分辨率，规定可比静态和动态特性，并且在仪表仪器和大型通用采集系统（测试、设备认证）、专业系统（医疗应用和光谱学数字成像）等专用领域以外，它们已经进入许多过程控制应用、可编程控制器、大型电机控制以及电能输配等领域。目前，几种ADC架构在精度方面不相上下；根据不同需求，具体的选择视模数转换原理、逐次逼近寄存器(SAR)以及Σ-Δ而定，在数MSPS速率下，这些架构分别支持最高24位或以上的分辨率，为24位或更多，在几百kSPS速率下支持32位分辨率。当面对这些分辨率和精度水平时，这些转换器提供的有用动态范围很容易超过100 dBFS（满量程）的神奇屏障，用户面临的真正挑战体现在为要数字化的信号设计模拟调理电路，以及相关抗混叠滤波器的设计两个方面。在过去的二十年中，采样速率和滤波技术已经有了很大的发展，现在我们可以结合运用模拟和数字滤波器，在性能和复杂性之间达到更好的平衡。

图1所示为适用于数据采集系统的这类分区的一个典型示例。在调节差分或非差分信号（放大、缩放、自适应和电平转换等）之后，在数字化之前对后者进行滤波以满足奈奎斯特准则。根据ADC的过采样速率，要使用额外的数字滤波来达到采集系统的规格要求。

由于对超宽输入动态范围的需求增加，许多上述应用采用了最先进的高分辨率ADC。随着动态范围的增加，系统性能预计会提高，模拟调节链会减小，拥堵、能耗，甚至是材料成本都会下降。

过采样及其好处

在超快高分辨率模数编码器出现之前，一般通过以下办法解决动态范围问题：使用快速可编程增益放大器、更快的比较器和/或并联若干ADC，最后加上合适的数字处理模块，以实现强信号的数字化，区分接近噪声水平的小信号。在这些陈旧并且现已过时的架构中，这样做会带来复杂的电路，很难开发，并且在线性度、带宽和采样频率方面都受到限制。当今的替代方案是，借助更经济的现代ADC的高采样速率，达到运用过采样技术的目的。以高于奈奎斯特定理要求的最小值的 FSE 速率对信号进行采样，可以通过处理和增加编码器的信噪比来执行增益运算，并因此增加有效位的数量。实际上，量化噪声和热噪声被同化为白噪声，该噪声在整个奈奎斯特频带及以外均匀分布。过采样之后，通过滤波和严格以最小所需采样速率（或2 × BW）限制有用频带，频带每降低一个倍频程，噪声能量将降低3 dB，如图2所示。换句话说，过采样因子为4时最为理想，在理论上使信噪比增加了6dB；即是说，增加了一位，如等式1所示：

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图1.典型测量信号链。

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图2.通过添加数字抽取滤波器比较频谱噪声密度。

总之，过采样有两个优点，一是可以提升信噪比，二是可以放宽对位于ADC之前的抗混叠模拟滤波器的要求。

抗混叠滤波器：分区困境

理想情况下，与ADC相关的滤波器，特别是那些负责解决频谱混叠问题的滤波器，相比其精度，其幅度响应带宽必须尽可能平坦，同时其带外衰减还要能满足其动态范围要求。过渡带一般要尽可能陡。因此，这些抗混叠低通滤波器在特性上有特定的要求，必须能消除寄生镜像、噪声和其他杂散音。根据具体应用，还要特别注意相位响应，也要补偿任何过大的相移。虽然有许多建议被认为属于基础建议，但是，如果要将这些建议与指定的24位或32位转换器的要求结合起来，并且这些转换器的积分非线性误差仅为几LSB，再加上其他类似的静态和动态参数，有些建议实现起来会极其困难。

如前所述，过采样在此非常重要，因为它不仅能提升信噪比，还能放宽对模拟抗混叠滤波器规格及其截止频率的要求。如图3所示，过采样分布在-3 dB条件下截止频率与阻带起点之间的过渡带。

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