在频率域内为ADC 设计反失真滤波器 - 电子工程专辑.PDF

在頻率域內為 ADC設計反失真濾波器 作者：Bonnie C. Baker / 德州儀器 (TI資深應用工程師) 許多應用若想將實體世界訊號數位化，都會使用資料擷取系統，應用範圍從測量溫度到感測光 線不一而足，而研發資料擷取系統時，通常都得在類比數位轉換器(ADC)之前設置反失真濾波 器，擺脫高頻雜訊及訊號的類比系統，圖一說明此類應用的一般電路簡圖。 圖一 資料擷取電路的基本拓樸 資料擷取系統從訊號(VS)開始，例如感測器波形，之後為低通濾波器(LPF)或反失真濾波器 (AAF) ，以及做為緩衝的運算放大器；在緩衝放大器輸出端為電阻/電容組，驅動ADC 的輸入 源，而ADC 為連續漸近轉換器ADC (SAR ADC) 。 通常此種線路評估項目包括偏移、增益、線性與雜訊，另一種評估方式則涉及頻率域事件配置。 影響此項系統設計的頻率有六 ；圖二說明各項頻率的整體關係 ： 1. fSIGNAL──輸入訊號頻寬 ； 2. fLSB──濾波器頻率以及具有特定最小有效位元(LSB)的可容忍增益誤差，fLSB 最好能與 fSIGNAL 相等。 3. fC ──LPF 角頻率 ； 4. fPEAK ──放大器最大滿刻度輸出與頻率 ； 5. fS ──ADC 取樣頻率 ； 6. fGBW ──放大器增益頻寬頻率 。 圖二 fS 、fGBW 、fPEAK 與fC 的基本關係 Copyright © 2015 UBM Asia Ltd. 電子工程專輯網站()所有內容均受版權保護 未經版權所有人明確的書面許可，不得以任何方式或媒體翻印或轉載本網站的部分或全部內容 在以下評估過程中，範例系統使用以下吞吐量： •輸入訊號頻寬1 kHz (fSIGNAL) ； •低通濾波器角頻率10 kHz (f ) ； C •SAR-ADC 取樣頻率 100 kHz (f ) ； S •雙運算放大器、單電源OPA2314 。 判斷最大訊號頻率(fSIGNAL, fLSB)及可接受的增益誤差 第一步為判斷輸入訊號頻寬(fSIGNAL) ，其次判斷從LPF 或 AAF 可接受的增益誤差，這項增益 誤差不會在測量頻率中突然發生，且在DC 條件下，增益誤差為零，LPF 增益誤差則與頻率成 正比，LSB 的誤差等於 ： N N 20 × log [(2 – err)/2 ], N 為轉換器位元數，err 為可接受的位元誤差，只要檢視SPICE 閉路增益曲線，即可找到誤差 值。在本案例中，訊號頻寬為 1 kHz ，可接受增益誤差相當於1 LSB ，在12 位元ADC 之中， err 為1 、N 等於 12 ，則增益誤差為–2.12 mdB 。 若使用TINA-TI SPICE 模型分析第四級 10-kHz 低通Butterworth 濾波器，則閉路增益回應如圖 三及圖四，在兩張圖表中，b 游標位置即為增益誤差–2 mdB 之處(f1-LSB = 1.04 kHz) 。 圖三 1.04 kHz 的增益誤差等於第四級10-kHz Butterworth 低通濾波器的–2 mdB Copyright © 2015 UBM Asia Ltd. 電子工程專輯網站()所有內容均受版權保護 未經版權所有人明確的書面許可，不得以任何方式或媒體翻印或轉載本網站的部分或全部內容 圖三的測量視窗顯示，b 位於 1.04 kHz ，視窗亦指出頻率游標a 與b 在Y 軸的–2 mdB 差異。 圖四聚焦於濾波通過角頻率(f )之前，Butterworth 濾波器運作時的Y 軸，首先觀察到增益曲線