驱动 ADC 时如何将滤波器损耗降至最低

1.前言

滤波在几乎所有通信系统中都起着重要作用，因为消除噪声和失真会增加信道容量。设计一个仅通过所需频率的滤波器相当容易。然而，在实际的物理滤波器实现中，通过滤波器会损失所需的信号功率。这种信号损失对模数转换器(ADC) 噪声系数的影响分贝。

更糟糕的是，驱动 ADC 的放大器将在滤波器损耗的倍数处产生失真。例如，如果滤波器有 7dB 的损耗，放大器需要将信号驱动 7dB。这将导致二阶产品的电平高出 7dB；三阶产品会差14dB。其中一些失真产物（尤其是互调）无法滤除，因此将滤波器损耗保持在最低水平对系统性能至关重要。

图 1：典型信号链

选择系统组件也是系统设计的关键部分。最小带宽、吞吐速率和输入频率之间的这种关系说明：输入频率越高，则要求RC带宽越高。同样，吞吐速率越高，则采集时间越短，从而提高RC带宽。采集时间对所需带宽的影响最大；如果采集时间加倍（降低吞吐速率），所需带宽将减半。表 1 显示了一些 ADC，以及它们的输入规格和对 ADC 和典型 2Vpp 放大器输出信号之间可接受损耗量的估计。表中显示的“允许滤波器损耗”是一个任意规格，但它有助于选择理想的滤波器拓扑。  

表1 ：ADC 输入参数

2.过滤器损耗的来源

有两种类型的滤波器损耗：与滤波器组件直接相关的损耗和与将滤波器集成到系统中相关的损耗。滤波器元件的损耗几乎都是由寄生电阻造成的。为了减少元件损耗，请尽量减少滤波器元件的等效串联电阻 (ESR)。

虽然滤波器组件在理想情况下没有损耗，但与将滤波器集成到系统中相关的损耗更为复杂。滤波器设计为具有输入和输出阻抗，这通常需要电阻器来提供宽带阻抗匹配，如图 1 所示。这些匹配电阻器对系统电压增益的损耗为 6dB。

参考测量是另一个关键考虑因素。虽然 RF 系统通常围绕功率水平设计，但几乎 100% 的可用 ADC 采样电压而不是功率。出于这个原因，ADC 驱动放大器和 ADC 之间的损耗通常以分贝伏特而不是分贝功率来指定。这可能会令人困惑，但很重要——因为 ADC 测量中显示的是电压损失。请注意，功率损失 3dB 相当于电压损失 6dB。 

4.阻抗变换

因为 ADC 采样电压而不是功率，所以有机会将滤波器用作电压增益电路。这是可能的，因为电压和阻抗与给定的功率水平成正比。在建立ADC输入和通过优化带宽限制噪声时所需的最小RC值，可以由假设通过指数方式建立阶跃输入来计算。要计算阶跃大小，需要知道输入信号频率、幅度和ADC转换时间。查看表 1，该方法适用于我们的 16 位、1-GSPS、双通道 ADS54J60 和 16 位、370-MSPS、双通道 ADC16DX370。

图 2：具有不同阻抗比的滤波器

图 3：不同阻抗比的滤波器响应

5.降低滤波器的驱动阻抗

如果 ADC 的差分输入阻抗低于 200Ω，增加滤波器的端接电阻将不起作用。相反，尝试降低进入滤波器的驱动阻抗，如图 4 所示。再次查看表 1，该方法适用于 ADC16DX370 或 ADC12J4000。

在图 4 所示的第二个电路中，从图 1 中移除 40Ω 电阻会降低驱动阻抗，从而留下放大器的 10Ω 内部电阻作为驱动阻抗。这会降低滤波器损耗，但会影响滤波器频率响应。图 5 具有正确端接和不匹配滤波器响应的频率响应图。 

使用低通滤波器，我们可以调整滤波器转角频率以恢复丢失的带宽，但使用带通滤波器则更加困难。通带平坦度和邻道抑制都会因驱动阻抗不当而受到影响。

图 4：具有不同驱动阻抗的滤波器

图 5：不同驱动阻抗的结果

6.结论

降低滤波器电抗组件的 ESR 损耗并调整其驱动和端接阻抗有助于在驱动 ADC 时管理信号损失。ADC 的输入阻抗限制了滤波器的端接阻抗，因此仔细选择 ADC 至关重要。