如何组合使用低通滤波器和ADC驱动器获取20 V p-p信号

2023-04-24 14:30:58 来源:ADI

问题:

为何要组合使用低通滤波器(LPF)和模数转换器(ADC)驱动器?

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答案:

为了减小模拟信号链的尺寸,降低其成本,并提供ADC抗混叠保护(ADC采样频率周围频段中的ADC输入信号不受数字滤波器保护,必须由模拟低通滤波器(LPF)进行衰减)。20 V p-p LPF驱动器一般用于工业、科技和医疗(ISM)设备中,该设备必须使用具有更低满量程输入的高速ADC对传统的20 V p-p信号范围进行数字化处理。

简介

通过驱动ADC实现优化的混合信号性能,这是一大设计挑战。图1所示为标准的驱动器ADC电路。在ADC采集期间,采样电容将反冲RC滤波器中指数衰减的电压和电流。混合信号ADC驱动器电路的最佳性能受到多个变量影响。驱动器的建立时间、RC滤波器的时间常数、驱动阻抗,以及ADC采样电容的反冲电流在采样时间内相互作用,导致产生采样误差。采样误差随着ADC位数、输入频率和采样频率的增大而增大。

标准ADC驱动器具有大量实验数据样本,可用于可靠的设计流程。但缺乏实验数据来引导进行驱动ADC的低通滤波器设计。本文介绍集成模拟低通滤波、信号压缩和ADC驱动器的LPF驱动器电路(参见图2)。

1列出了图2所示电路的性能变量。下方的实验室数据和分析旨在引导说明,给出图2所示的电路的时间和频率响应限值。

1.2所示电路的性能变量

LPF驱动器

RC滤波器

ADC

–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、采样时间、SNRTHD

实验室数据和分析

信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)是衡量系统动态性能的两个重要参数。能否实现最佳性能,取决于ADC和信号调理级的组合,在本文中,后者包括三阶低通滤波器和单端至差分转换器。图2所示的LPF驱动器电路的–3 dB带宽和建立时间会有所不同,有关SNRTHD测量值,请参见表2至表5。本文将会探讨受测变量和这些变量对系统性能的影响。

低通滤波器–3 dB带宽

比较信号带宽为1 MHz2 MHz0.5 MHz时系统的性能。–3 dB点分别为558 kHz1 MHz、和2.3 MHz性能如表2所示。将截止频率降低至558 kHzLPF噪声带宽随之降低,但SNR提高。将截止频率增大至1 MHz2.3 MHzLPF驱动器建立时间缩短,THD降低。

image.png

1.标准ADC驱动器和RC滤波器。

image.png

2.LPF驱动器和ADC电路。

2.R = 750 Ω时三种截止频率对应的LPF驱动器性能

VIN (V p-p)

FIN   (kHz)

-3 dB频率

RQ

LPF
 
驱动器C

LPF
 
驱动器R

SNR

THD



558 kHz


2700 pF


90 dB

-98 dB

20

2

1 MHz

150 Ω

1500 pF

750 Ω

90 dB

-103 dB



2.21 MHz


680 pF


88 dB

-106 dB

更改图2所示的RC可以更改截止频率。使用C电容来设置截止频率时,LPF驱动器THD更低;R电阻值降低,有助于略微改善SNR;如表3所示。

3.R = 412 Ω时三种截止频率对应的LPF驱动器性能

VIN (V p-p)

FIN   (kHz)

-3 dB频率

RQ

LPF
 
驱动器C

LPF
 
驱动器R

SNR

THD



580 kHz


4700 pF


91 dB

-98 dB

20

2

1 MHz

150 Ω

2700 pF

412 Ω

90 dB

-97 dB



2.25 MHz


1200 pF


89 dB

-99 dB

设置RQ电阻2

LPFRQ电阻可设置时间响应。RQ越高,过冲越大,建立时间越长。RQ越低,过冲越小,建立时间越短。图3显示使用150 75 RQ电阻时对应的LPF瞬态响应。我们测试了使用不同的RQLPF驱动器的性能,测试结果如表4所示。

image.png

3.不同的RQ值对应的过冲和建立时间。

4.不同的RQ值对应的LPF驱动器性能

VIN (V p-p)

采样速率(MSPS)

-3 dB频率

RQ

LPF
 
驱动器C

LPF
 
驱动器R

SNR

THD

20

10

558 kHz

150 Ω

2700 pF

750 Ω

90 dB

-98 dB

75 Ω

90 dB

-97 dB

1 MHz

150 Ω

1500 pF

89 dB

-102 dB

75 Ω

89 dB

-100 dB

2.3 MHz

150 Ω

680 pF

88 dB

-106 dB

75 Ω

88 dB

-106 dB

根据实际测量得出的数据,使用75 150 RQSNRTHD性能没有明显影响,只是影响过冲和建立时间的一个因素。

ADC采样速率

5中的数据显示,如果使用LTC2387-18,在10 MSPS时系统的THD性能低于15 MSPS时(在10 MSPS时,图2中的RC驱动器电容C3C4的值为180 pF)。

注:在10 MSPS时,LTC2387-18LTC2386-18的采样时间分别为61 ns50 ns

5.采样速率为10 MSPS15 MSPS时的LPF驱动器性能

VIN (V p-p)

采样速率(MSPS)

-3 dB频率

RQ

LPF
 
驱动器C

LPF
 
驱动器R

SNR

THD

20

15

1 MHz

150 Ω

1500 pF

750 Ω

88 dB

-96 dB

10

89 dB

-101 dB

15

2.3 MHz

75 Ω

680 pF

88 dB

-93 dB

10

88 dB

-106 dB

RC滤波器

驱动器和ADC之间的RC滤波器用于限制带宽,确保实现宽带宽低噪声,且实现更优的信噪比。RC数值决定–3 dB截止频率。降低R有时可能导致响铃振荡和不稳定。增大R会增大采样误差。使用更低的C值,会导致更高的电荷反冲,但充电时间更快。使用更高的C值,可以降低电荷反冲,但充电时间会变慢。此外,设置RC值是确保在给定的采样时间内获取稳定样本的关键。使用数据手册的推荐值和精密ADC驱动器工具给出的建议值会是一个非常不错的起点。

精密ADC驱动器工具是一款综合工具,可以帮助预测在驱动器和ADC之间使用不同的RC值系统的性能。可以使用这款工具检查的参数包括电荷反冲、采样误差和采样时间。

使用25 180 pF RC实现更低的–3 dB截止频率时,输入信号建立时间和电荷反冲会受到影响。要实现更低的–3 dB截止频率,并确保输入信号在采集时间内正确建立,我们可能需要使用更低的采样速率。根据LTC2387-18数据手册,采样时间通常是周期时间减去39 ns。在15 MSPS使用LTC2387-18时,采样时间为27.67 ns,在10 MSPS使用此器件时,采样时间为61 ns

image.png

4.使用不同采样速率时的电荷反冲、RC_Tau、采样时间(a) 15 MSPS采样速率LTC2387-18使用建议的RC25 Ω82 pF),(b) 15 MSPS采样速率LTC2386-18使用建议的RC25 Ω180 pF),(c) 10 MSPS采样速率LTC2386-18使用建议的RC25 Ω180 pF

借助精密ADC驱动器工具,图4a4c汇总列出了使用不同的RC值时对应的反冲差值和RC时间常数(Tau),以及采样速率为10 MSPS15 MSPS时的采样时间。图4a显示LTC2387-1815 MSPS采样速率下,使用推荐RC值(25 82 pF)时的建立响应。图4b显示在C180 pF时,得出的RC时间常数更高,这导致在15 MSPS采样速率、27.6 ns采样时间内输入信号无法建立。图4c使用与图4b相同的RC值(25 180 pF),但在使用10 MSPS采样速率、采样时间增加至61 ns之后,信号能够建立。

LPF驱动器电阻选择

可以通过更改RC来实现LPF驱动器的–3 dB截止频率。电阻噪声是系统总噪声的组成部分。根据噪声计算公式,从理论上来说,降低电阻值可以降低电阻噪声。为了进行验证,我们尝试了两个不同的电阻值作为LPF驱动器R,分别是750 412 。从理论来说,R更低时得出的SNR应该更佳,但从实际获得的数据来看,如表2和表3所示,SNR并无很大改善,相反,这会对THD性能产生更大影响。

LPF电阻(图1中的R)越低,放大器所需的电流越大。使用更低的电阻值时,运算放大器的输出电流高于最大线性驱动电流。

放大器驱动器选择

在选择要使用的ADC驱动器时,实现器件最佳性能所对应的规格至关重要。我们使用两个ADC驱动器来收集数据,分别是ADA4899-1LTC6228。这些ADC驱动器非常适合用于驱动LTC2387-18,后者用于进行实验室测量。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。根据已完成的测试,从THDSNR这两个方面来看,ADA4899-1LTC6228的性能差异可以忽略。

LPF设计和应用指南

5显示LPF电路。5个相同电阻(R1R5)、1个用于调节LPF时间响应的电阻(RQ)2个相同的接地电容(C1C2),以及1个数值为接地电容1/10的反馈电容(C3),这些器件构成了LPF无源组件(±1%电阻和±5%电容)。

image.png

5.LPF电路。

简单的LPF设计流程(注1

R1R5 = RC1C2 = C

要尽量降低失真,电阻R1R5的值必须在600 Ω750 Ω范围内。

       设置R = 750 Ω

       C = 1.5E9/f3 dB最接近标准的5%电容pF),f3 dBLPF –3 dB频率2

       例如:如果f3 dB1 MHz,那么C = (1.5E9)/(1E6) = 1500 pF

       C3 = C/10

       RQ = R/5R/10(注34

1.简单的滤波器设计只需要一个计算器,无需使用非线性s域公式。

2.如果R = 619 ,那么C = 1.8E9/f3 dBf3 dBLPF –3 dB频率。

3.RQ = R/5,用于实现最大阻带衰减,RQ = R/10,用于实现低过冲和快速建立时间。

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

4.如果RQ = R/10–3 dB频率比RQ = R/5时低7%,也就是说,R1R5等于RQ/5R0.93

5.LPF驱动器差分输出至ADC输入的PCB线路距离为1'’或更低。

6.LPF运算放大器的VCCVEE分别为6 V–1 V,输出线性电压摆幅为0 V4.098 V

结论

根据表2至表5SNRTHD数据,我们可以了解图2所示电路的性能。通过增大电容来降低LPF带宽,这会增大SNR(降低LPF噪声带宽)。LPF带宽越低,失真程度越高(因为LPF建立时间比实现最低采样误差所需的时间长)。此外,如果LPF电阻值太低,THD会随之降低,因为LPF运算放大器需要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更高时,失真程度降低)。

 

LTC2387-18 ADC采用10 MSPS采样频率时,LPF通带必须为1 MHz或高于1 MHz,以尽可能降低THD。将LPF设置为1 MHz,是对SNRTHD和足量ADC混叠抑制的任意妥协。

设计参考:ADI的精密ADC驱动器工具

精选器件

运算放大器

产品型号

VOS (V)最大值

IBIAS (A)最大值

GBP (Hz)典型值

VNOISE (V/√Hz)典型值

THD 2 V p-pRL = 1k

VS范围最小值/最大值(V)

ADA4899-1

35 µV

-12 µA

600 MHz

1 nV/√Hz

-117 dBc1 MHz

±5 V

LTC6228/ LTC6229

20 µV

-16 µA

890 MHz

0.88 nV/√Hz

-120 dBc1 MHz

±5 V


模数转换器

产品型号

分辨率
 

最大值FS

输入类型
 
(单端、差分)

VIN范围
 
(VMIN/VMAX)

SNR
 
(dB)

INL
 
(LSB)

数据输出接口

LTC2387

18

15 MSPS

单端、差分

–VREFBUF+VREFBUF

95.7

±0.6

串行LVDS接口


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