問題：

　　為何要組合使用低通濾波器（LPF）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動(dòng)器？

　　答案：

　　為了減小模擬信號(hào)鏈的尺寸,，降低其成本，并提供ADC抗混疊保護(hù)（ADC采樣頻率周圍頻段中的ADC輸入信號(hào)不受數(shù)字濾波器保護(hù),，必須由模擬低通濾波器（LPF）進(jìn)行衰減）,。20 V p-p LPF驅(qū)動(dòng)器一般用于工業(yè)、科技和醫(yī)療（ISM）設(shè)備中,，該設(shè)備必須使用具有更低滿量程輸入的高速ADC對(duì)傳統(tǒng)的20 V p-p信號(hào)范圍進(jìn)行數(shù)字化處理,。

　　簡介

　　通過驅(qū)動(dòng)ADC實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的混合信號(hào)性能，這是一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器ADC電路,。在ADC采集期間，采樣電容將反沖RC濾波器中指數(shù)衰減的電壓和電流,?；旌闲盘?hào)ADC驅(qū)動(dòng)器電路的最佳性能受到多個(gè)變量影響。驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間,、RC濾波器的時(shí)間常數(shù),、驅(qū)動(dòng)阻抗，以及ADC采樣電容的反沖電流在采樣時(shí)間內(nèi)相互作用,，導(dǎo)致產(chǎn)生采樣誤差,。采樣誤差隨著ADC位數(shù)、輸入頻率和采樣頻率的增大而增大,。

　　標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器具有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本,，可用于可靠的設(shè)計(jì)流程。但缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來引導(dǎo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)ADC的低通濾波器設(shè)計(jì),。本文介紹集成模擬低通濾波,、信號(hào)壓縮和ADC驅(qū)動(dòng)器的LPF驅(qū)動(dòng)器電路（參見圖2）。

　　表1列出了圖2所示電路的性能變量,。下方的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析旨在引導(dǎo)說明,，給出圖2所示的電路的時(shí)間和頻率響應(yīng)限值,。

　　表1.圖2所示電路的性能變量

　　實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析

　　信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）是衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的兩個(gè)重要參數(shù)。能否實(shí)現(xiàn)最佳性能,，取決于ADC和信號(hào)調(diào)理級(jí)的組合,，在本文中，后者包括三階低通濾波器和單端至差分轉(zhuǎn)換器,。圖2所示的LPF驅(qū)動(dòng)器電路的–3 dB帶寬和建立時(shí)間會(huì)有所不同,，有關(guān)SNR和THD的測(cè)量值，請(qǐng)參見表2至表5,。本文將會(huì)探討受測(cè)變量和這些變量對(duì)系統(tǒng)性能的影響,。

　　低通濾波器–3 dB帶寬

　　比較信號(hào)帶寬為1 MHz與2 MHz和0.5 MHz時(shí)系統(tǒng)的性能。當(dāng)–3 dB點(diǎn)分別為558 kHz,、1 MHz,、和2.3 MHz，其性能如表2所示,。將截止頻率降低至558 kHz,，LPF噪聲帶寬隨之降低，但SNR提高,。將截止頻率增大至1 MHz或2.3 MHz,，LPF驅(qū)動(dòng)器建立時(shí)間縮短，THD降低,。

　　圖1.標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器,。

　　圖2.LPF驅(qū)動(dòng)器和ADC電路。

　　表2.R = 750 Ω時(shí)三種截止頻率對(duì)應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

　　更改圖2所示的R或C可以更改截止頻率,。使用C電容來設(shè)置截止頻率時(shí),，LPF驅(qū)動(dòng)器THD更低；R電阻值降低,，有助于略微改善SNR,；如表3所示。

　　表3.R = 412 Ω時(shí)三種截止頻率對(duì)應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

　　設(shè)置RQ電阻（圖2）

　　LPF的RQ電阻可設(shè)置時(shí)間響應(yīng),。RQ越高,，過沖越大，建立時(shí)間越長,。RQ越低,，過沖越小，建立時(shí)間越短,。圖3顯示使用150 ?和75 ? RQ電阻時(shí)對(duì)應(yīng)的LPF瞬態(tài)響應(yīng),。我們測(cè)試了使用不同的RQ時(shí)LPF驅(qū)動(dòng)器的性能，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

　　圖3.不同的RQ值對(duì)應(yīng)的過沖和建立時(shí)間,。

　　表4.不同的RQ值對(duì)應(yīng)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

　　根據(jù)實(shí)際測(cè)量得出的數(shù)據(jù),，使用75 ?和150 ? RQ對(duì)SNR和THD性能沒有明顯影響，只是影響過沖和建立時(shí)間的一個(gè)因素,。

　　ADC采樣速率

　　表5中的數(shù)據(jù)顯示,，如果使用LTC2387-18，在10 MSPS時(shí)系統(tǒng)的THD性能低于15 MSPS時(shí)（在10 MSPS時(shí),，圖2中的RC驅(qū)動(dòng)器電容C3和C4的值為180 pF）,。

　　注：在10 MSPS時(shí)，LTC2387-18和LTC2386-18的采樣時(shí)間分別為61 ns和50 ns,。

　　表5.采樣速率為10 MSPS和15 MSPS時(shí)的LPF驅(qū)動(dòng)器性能

　　RC濾波器

　　驅(qū)動(dòng)器和ADC之間的RC濾波器用于限制帶寬,，確保實(shí)現(xiàn)寬帶寬低噪聲，且實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的信噪比,。RC數(shù)值決定–3 dB截止頻率,。降低R有時(shí)可能導(dǎo)致響鈴振蕩和不穩(wěn)定。增大R會(huì)增大采樣誤差,。使用更低的C值,，會(huì)導(dǎo)致更高的電荷反沖，但充電時(shí)間更快,。使用更高的C值，可以降低電荷反沖,，但充電時(shí)間會(huì)變慢,。此外，設(shè)置RC值是確保在給定的采樣時(shí)間內(nèi)獲取穩(wěn)定樣本的關(guān)鍵,。使用數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦值和精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具給出的建議值會(huì)是一個(gè)非常不錯(cuò)的起點(diǎn),。

　　精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具是一款綜合工具，可以幫助預(yù)測(cè)在驅(qū)動(dòng)器和ADC之間使用不同的RC值系統(tǒng)的性能,?？梢允褂眠@款工具檢查的參數(shù)包括電荷反沖、采樣誤差和采樣時(shí)間,。

　　使用25 ?和180 pF RC實(shí)現(xiàn)更低的–3 dB截止頻率時(shí),，輸入信號(hào)建立時(shí)間和電荷反沖會(huì)受到影響。要實(shí)現(xiàn)更低的–3 dB截止頻率,，并確保輸入信號(hào)在采集時(shí)間內(nèi)正確建立,，我們可能需要使用更低的采樣速率。根據(jù)LTC2387-18數(shù)據(jù)手冊(cè),，采樣時(shí)間通常是周期時(shí)間減去39 ns,。在15 MSPS使用LTC2387-18時(shí)，采樣時(shí)間為27.67 ns，在10 MSPS使用此器件時(shí),，采樣時(shí)間為61 ns,。

　　圖4.使用不同采樣速率時(shí)的電荷反沖、RC_Tau,、采樣時(shí)間：（a） 15 MSPS采樣速率,，LTC2387-18使用建議的RC值（25 Ω和82 pF），（b） 15 MSPS采樣速率,，LTC2386-18使用建議的RC值（25 Ω和180 pF）,，（c） 10 MSPS采樣速率，LTC2386-18使用建議的RC值（25 Ω和180 pF）,。

　　借助精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具,，圖4a至4c匯總列出了使用不同的RC值時(shí)對(duì)應(yīng)的反沖差值和RC時(shí)間常數(shù)（Tau），以及采樣速率為10 MSPS和15 MSPS時(shí)的采樣時(shí)間,。圖4a顯示LTC2387-18在15 MSPS采樣速率下,，使用推薦RC值（25 ?和82 pF）時(shí)的建立響應(yīng)。圖4b顯示在C為180 pF時(shí),，得出的RC時(shí)間常數(shù)更高,，這導(dǎo)致在15 MSPS采樣速率、27.6 ns采樣時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)無法建立,。圖4c使用與圖4b相同的RC值（25 ?和180 pF）,，但在使用10 MSPS采樣速率、采樣時(shí)間增加至61 ns之后,，信號(hào)能夠建立,。

　　LPF驅(qū)動(dòng)器電阻選擇

　　可以通過更改R或C來實(shí)現(xiàn)LPF驅(qū)動(dòng)器的–3 dB截止頻率。電阻噪聲是系統(tǒng)總噪聲的組成部分,。根據(jù)噪聲計(jì)算公式,，從理論上來說，降低電阻值可以降低電阻噪聲,。為了進(jìn)行驗(yàn)證,，我們嘗試了兩個(gè)不同的電阻值作為LPF驅(qū)動(dòng)器R，分別是750 ?和412 ?,。從理論來說,，R更低時(shí)得出的SNR應(yīng)該更佳，但從實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)來看,，如表2和表3所示,，SNR并無很大改善，相反,，這會(huì)對(duì)THD性能產(chǎn)生更大影響,。

　　LPF電阻（圖1中的R）越低,，放大器所需的電流越大。使用更低的電阻值時(shí),，運(yùn)算放大器的輸出電流高于最大線性驅(qū)動(dòng)電流,。

　　放大器驅(qū)動(dòng)器選擇

　　在選擇要使用的ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，實(shí)現(xiàn)器件最佳性能所對(duì)應(yīng)的規(guī)格至關(guān)重要,。我們使用兩個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器來收集數(shù)據(jù),，分別是ADA4899-1和LTC6228。這些ADC驅(qū)動(dòng)器非常適合用于驅(qū)動(dòng)LTC2387-18,，后者用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量,。在選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)考慮的一些規(guī)格包括帶寬、電壓噪聲,、諧波失真和電流驅(qū)動(dòng)能力,。根據(jù)已完成的測(cè)試，從THD和SNR這兩個(gè)方面來看,，ADA4899-1和LTC6228的性能差異可以忽略,。

　　LPF設(shè)計(jì)和應(yīng)用指南

　　圖5顯示LPF電路。5個(gè)相同電阻（R1至R5）,、1個(gè)用于調(diào)節(jié)LPF時(shí)間響應(yīng)的電阻（RQ）,、2個(gè)相同的接地電容（C1和C2），以及1個(gè)數(shù)值為接地電容1/10的反饋電容（C3）,，這些器件構(gòu)成了LPF無源組件（±1%電阻和±5%電容）,。

　　圖5.LPF電路。

　　簡單的LPF設(shè)計(jì)流程（注1）

　　R1至R5 = R,，C1和C2 = C,。

　　要盡量降低失真，電阻R1至R5的值必須在600 ?至750 ?范圍內(nèi),。

　　▲設(shè)置R = 750?

　　▲C = 1.5E9/f3 dB（最接近標(biāo)準(zhǔn)的5%電容pF），f3 dB為LPF –3 dB頻率（注2）

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

　　▲C3 = C/10

　　▲RQ = R/5或R/10（注3和4）

　　注1.簡單的濾波器設(shè)計(jì)只需要一個(gè)計(jì)算器,，無需使用非線性s域公式。

　　注2.如果R = 619 ?,，那么C = 1.8E9/f3 dB,，f3 dB為LPF –3 dB頻率。

　　注3.RQ = R/5,，用于實(shí)現(xiàn)最大阻帶衰減,，RQ = R/10，用于實(shí)現(xiàn)低過沖和快速建立時(shí)間,。

　　采用RQ/5和RQ/10時(shí),，在10× f–3 dB時(shí)，阻帶衰減分別為–70 dB和–62 dB。

　　注4.如果RQ = R/10,，–3 dB頻率比RQ = R/5時(shí)低7%,，也就是說，R1至R5等于RQ/5時(shí)R的0.93,。

　　注5.LPF驅(qū)動(dòng)器差分輸出至ADC輸入的PCB線路距離為1'‘或更低,。

　　注6.LPF運(yùn)算放大器的VCC和VEE分別為6 V和–1 V，輸出線性電壓擺幅為0 V至4.098 V,。

　　結(jié)論

　　根據(jù)表2至表5的SNR和THD數(shù)據(jù),，我們可以了解圖2所示電路的性能。通過增大電容來降低LPF帶寬,，這會(huì)增大SNR（降低LPF噪聲帶寬）,。LPF帶寬越低，失真程度越高（因?yàn)長PF建立時(shí)間比實(shí)現(xiàn)最低采樣誤差所需的時(shí)間長）,。此外,，如果LPF電阻值太低，THD會(huì)隨之降低,，因?yàn)長PF運(yùn)算放大器需要驅(qū)動(dòng)反饋電阻和反相運(yùn)算放大器輸入電阻（運(yùn)算放大器輸出電流更高時(shí),，失真程度降低）。

　　LTC2387-18 ADC采用10 MSPS采樣頻率時(shí),，LPF通帶必須為1 MHz或高于1 MHz,，以盡可能降低THD。將LPF設(shè)置為1 MHz,，是對(duì)SNR,、THD和足量ADC混疊抑制的任意妥協(xié)。

　　設(shè)計(jì)參考：ADI的精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具

　　精選器件

　　運(yùn)算放大器

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　致謝

　　主要顧問：

　　混合信號(hào)部門的高級(jí)應(yīng)用工程師Guy Hoover和Clarence Mayott,。

　　精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具設(shè)計(jì)師Anne Mahaffey

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