如何将低通滤波器和ADC驱动器组合用于20V p-p信号

Frances De La Rama and Philip Karantzalis

减小模拟信号链的尺寸和成本，并提供ADC抗混叠保护（ADC输入信号位于ADC采样频率附近的频带中 不受数字滤波器保护，必须由模拟低通滤波器LPF衰减）。20 V p-p LPF 驱动器的典型应用是工业、科学和 必须使用具有较低满量程输入的高速ADC对传统20 V p-p信号范围进行数字化的医疗（ISM）设备。

驱动ADC以获得最佳的混合信号性能是一项设计挑战。图1所示为标准驱动器ADC电路。在ADC采集期间，采样电容将指数衰减的电压和电流反冲到RC滤波器中。混合信号ADC驱动器电路的最佳性能取决于多个变量。驱动器的建立时间、RC滤波器的时间常数、驱动阻抗和ADC采样电容的反冲电流在采集期间相互作用，并产生采样误差。采样误差随ADC位数、输入频率和采样频率而直接增加。

图1.标准ADC驱动器和RC滤波器。

标准ADC驱动器具有大量实验数据样本，可用于可靠的设计过程。缺乏实验室数据来指导驱动ADC的低通滤波器的设计。本文介绍一个LPF驱动器电路，该电路结合了模拟低通滤波、信号压缩和ADC驱动器（见图2）。

图2.LPF驱动器和ADC电路。

 

LPF 驱动程序	遥控滤波器	模数转换器
–3 dB带宽、阻带衰减、建立时间、噪声、THD	电阻值，RC 时间常数	采样频率、位数、采集时间、信噪比、THD

 

实验室数据和分析

测量系统动态性能的两个重要参数是信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）。最佳性能是ADC和信号调理级组合的结果，本文包括三阶低通滤波器和单端至差分转换器。图3所示LPF驱动器电路的–2 dB带宽和建立时间各不相同，SNR和THD测量结果列于表2至表5中。本文将讨论测试的变量及其对系统性能的影响。

低通滤波器 –3 dB 带宽

将 1 MHz 信号带宽与 1 MHz 带宽的两倍半的性能进行比较。–3 dB点分别为558 kHz、1 MHz和2.3 MHz，性能如表2所示。将截止频率降低至558 kHz可降低LPF噪声带宽并提高SNR。将截止频率提高到1 MHz或2.3 MHz可缩短LPF驱动器建立时间并降低THD。

 

V在（V p-p）	F在（千赫）	–3 dB 频率	RQ	LPF 驱动程序 C	LPF 驱动程序 R	信 噪 比	谐波失真
20	2	558千赫	150 Ω	2700 点力	750 Ω	90分贝	–98 分贝
		1兆赫		1500 点力		90分贝	–103 分贝
		2.21兆赫		680 点力		88分贝	–106 分贝

 

截止频率可以通过改变图2中的R或C来改变。当使用C电容设置截止频率时，LPF驱动器THD较低，如果R电阻降低，SNR略有改善。如表 3 所示。

 

VIN (V p-p)	FIN (kHz)	–3 dB 频率	RQ	LPF 驱动程序 C	LPF 驱动程序 R	信 噪 比	谐波失真
20	2	580千赫	150 Ω	4700 点力	412 Ω	91分贝	–98 分贝
		1兆赫		2700 点力		90分贝	–97 分贝
		2.25兆赫		1200 点力		89分贝	–99 分贝

 

设置 RQ 电阻（图 2）

LPF 的 RQ 电阻设置时间响应。RQ越高，过冲越高，建立时间越长。较低的RQ具有较低的过冲和较短的建立时间。图3显示了150 Ω和75 Ω RQ电阻的LPF瞬态响应。LPF 驱动程序已使用不同的 RQ 进行了测试，结果如表 4 所示。

图3.不同 RQ 值的过冲和建立时间。

 

VIN（V p-p）	采样率	–3 dB 频率	RQ	LPF 驱动程序 C	LPF 驱动程序 R	信 噪 比	谐波失真
20	10	558千赫	150 Ω	2700 点力	750 Ω	90分贝	–98 分贝
			75 Ω			90分贝	–97 分贝
		1兆赫	150 Ω	1500 点力		89分贝	–102 分贝
			75 Ω			89分贝	–100 分贝
		2.3兆赫	150 Ω	680 点力		88分贝	–106 分贝
			75 Ω			88分贝	–106 分贝

 

根据实际测量数据，使用75 Ω和150 Ω的RQ对SNR和THD性能没有显著影响，只是过冲和建立时间的一个因素。

注意：LTC2387-18和LTC2386-18在10 MSPS时的采集时间分别为61 ns和50 ns。

模数转换器采样率

表5中的数据显示，使用LTC2387-18在10 MSPS时，系统的THD性能低于15 MSPS（图3的RC驱动电容C4和C2在180 MSPS时为10 pF）。

 

VIN（V p-p）	采样率	–3 dB 频率	RQ	LPF 驱动程序 C	LPF 驱动程序 R	信 噪 比	谐波失真
20	15	1兆赫	150 Ω	1500 点力	750 Ω	88分贝	–96 分贝
	10					89分贝	–101 分贝
	15	2.3兆赫	75 Ω	680 点力		88分贝	–93 分贝
	10					88分贝	–106 分贝

 

遥控滤波器

驱动器和ADC之间的RC滤波器用于带宽限制，以确保宽带宽范围内的低噪声并获得更好的SNR。RC值决定了–3 dB截止频率。降低 R 有时会导致振铃和不稳定。增加 R 会增加采样误差。对 C 使用较低的值将导致较高的充电反冲，但允许更快的充电时间。较高的 C 值将产生较低的充电反冲，但也会导致充电时间变慢。此外，设置RC值对于确保样品在给定的采集时间内沉降至关重要。使用数据手册的推荐值和精密ADC驱动器工具的建议值将是一个很好的起点。

精密ADC驱动器工具是一个全面的工具，有助于预测在驱动器和ADC之间使用不同RC值时的系统性能。可以使用此工具检查的一些参数是采样误差时的电荷反冲和采集时间。

为了通过使用3 Ω和25 pF RC实现较低的–180 dB截止频率，输入信号的建立和电荷反冲会受到影响。为了具有较低的–3 dB截止频率并确保输入信号在采集周期内正确建立，可以选择使用较低的采样速率。根据LTC2387-18数据手册，采集时间通常为周期时间减去39 ns。在2387 MSPS下优化LTC18-15可实现27.67 ns的采集时间，而在10 MSPS下使用该器件可实现61 ns的采集时间。

借助精密ADC驱动器工具，图4a至4c总结了使用不同RC值时的反冲差和RC时间常数（Tau），以及10 MSPS和15 MSPS采样速率的采集时间。图4a显示了LTC25-82在15 MSPS采样速率下使用推荐的RC值2387 Ω和18 pF的建立响应。图4b显示了使用180 pF的C时RC时间常数更高，对于27 MSPS采样速率，该时间常数可防止输入在6.15 ns的采集时间内建立。图4c使用与图4b相同的RC（25 Ω和180 pF），但当使用61 MSPS采样速率时，采集时间增加到10 ns后，信号能够建立。

图4.不同采样速率的充电反冲、RC_Tau、采集时间：（a） 15 MSPS 采样率，并使用 LTC2387-18 的建议 RC 值（25 Ω 和 82 pF），（b） 15 MSPS 采样速率并使用 LTC2386-18 的建议 RC 值（25 Ω 和 180 pF），以及 （c） 10 MSPS 采样速率，使用 LTC2386-18 的建议 RC 值（25 Ω 和 180 pF）。

LPF 驱动器电阻器选择

LPF驱动器的–3 dB截止频率可以通过改变R或C来实现。影响系统总噪声的因素之一是来自电阻的噪声。根据噪声计算公式，理论上可以通过降低电阻值来降低电阻噪声。对于此活动，已尝试将两个电阻值作为LPF驱动器R、750 Ω和412 Ω。理论上预计，当R较低时，SNR会更好，但从收集的数据来看，如表2和表3所示，SNR并没有太大改善，相反，对THD性能的影响更明显。

LPF电阻越低（图1中的R），放大器所需的电流要求就越高。使用较低值电阻时，运算放大器输出电流高于最大线性电流驱动能力。

放大器驱动器选择

实现器件最佳性能的最佳规格对于选择要使用的ADC驱动器至关重要。数据收集使用了两个ADC驱动器，即ADA4899-1和LTC6228。这些 ADC 驱动器是驱动 LTC2387-18 的理想选择，LTC4899-1 已用于实验室测量。在选择ADC驱动器时考虑的一些规格包括带宽、电压噪声、谐波失真和电流驱动能力。根据所进行的测试，就THD和SNR而言，ADA6228-<>和LTC<>的性能差异可以忽略不计。

LPF 设计和应用指南

图5所示为LPF电路。五个相等电阻（R1至R5）、一个用于调节LPF时间响应的电阻（RQ）、两个相等的接地电容（C1和C2）和一个反馈电容（C3）（其值为接地电容的十分之一）完善了LPF无源元件集（±1%电阻和±5%电容）。

图5.LPF 电路。

简单的LPF设计程序（注1）

R1 到 R5 = R、C1 和 C2 = C。

为了获得最小的失真，电阻R1至R5必须在600 Ω至750 Ω范围内。

集合 R = 750 Ω

C = 1.5E9/f3 分贝最接近的标准 5% 电容器，单位为 pF、F3 分贝是 LPF –3 dB 频率（注 2）

例如：如果 f3分贝为 1 MHz，则 C = （1.5E9）/（1E6） = 1500 pF

C3 = C/10

RQ = R/5 或 R/10（注 3 和 4）

注1. 简单的滤波器设计只需要一个计算器，并且不需要非线性s域方程。

注2. 如果 R = 619 Ω，则 C = 1.8E9/f3 分贝， f3 分贝是 LPF –3 dB 频率。

注3. RQ = R/5表示最大阻带衰减，R/10表示低过冲和快速建立。

对于 RQ/5 和 RQ/10，在 70× f 时，阻带衰减分别为 –62 dB 和 –10 dB–3 分贝.

注4. 如果 RQ = R/10，则 –3 dB 频率比 RQ = R/7 低 5%，因此 R1 到 R5 为 0.93×RQ/5 的 R。

说明5. 从LPF驱动器差分输出到ADC输入的PCB走线距离必须为1''或更小。

说明6. LPF 运算放大器的 V抄送和 V电子电气输出线性电压摆幅分别为6 V和–1 V，电压摆幅为0 V至4.098 V。

结论

表2至表5的SNR和THD数据提供了图2所示电路性能的见解。通过增加电容器来降低LPF带宽会增加SNR（更低的LPF噪声带宽）。较低的LPF带宽会增加失真（因为LPF建立时间比最小采样误差所需的时间长）。此外，如果LPF电阻值过低，则THD会降低，因为LPF运算放大器驱动反馈电阻和反相运算放大器输入电阻（运算放大器输出电流越高，失真增加）。

LTC10-2387 ADC采用18 MSPS采样频率，LPF通带必须为1 MHz或更高，以最大限度地降低THD。将LPF设置为1 MHz是SNR、THD和足够的ADC混叠保护的任意折衷方案。

审核编辑：郭婷