如何结合低通滤波器和 ADC 驱动器来获得 20 Vp-p 信号

驱动模拟数字转换器 (ADC) 以获得最佳混合信号性能是一项设计挑战。图 1 显示了标准 ADC 驱动器电路。在 ADC 采集时间内，采样电容器将呈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。驱动器的稳定时间、RC 滤波器的时间常数、驱动阻抗和 ADC 采样电容器的反冲电流在采集时间内相互作用并产生采样误差。采样误差会随着 ADC 位数、输入频率和采样频率的增加而增加。

标准 ADC 驱动器具有大量可用于可靠设计程序的实验数据样本。缺乏实验室数据来指导驱动 ADC 的低通滤波器的设计。本文介绍了一种结合了模拟低通滤波、信号压缩和 ADC 驱动器的 LPF 驱动器电路(见图 2)。

表1列出了图2所示电路的性能变量。以下实验室数据和分析可作为图2所示电路的时间和频率响应极限的指导。

表1：图2所示电路的性能变量

实验室数据和分析

衡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 和信号调节级组合的结果，在本文中，信号调节级包括三阶低通滤波器和单端至差分转换器。图 2 中所示的 LPF 驱动器电路的 –3-dB 带宽和稳定时间有所变化，SNR 和 THD 测量值列于表 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：-3dB 带宽

将 1 MHz 信号带宽与 1 MHz 带宽的两倍和一半的性能进行比较。–3 dB 点为 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。将截止频率提高至 1 MHz 或 2.3 MHz 可缩短 LPF 驱动器稳定时间并降低 THD。

图 1：标准 ADC 驱动器和 RC 滤波器

图 2：LPF 驱动器和 ADC 电路

表 2：三种截止频率的 LPF 驱动器性能，R = 750 Ω

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

表 3：三种截止频率的 LPF 驱动器性能，R = 412 Ω

设置 RQ 电阻

LPF 的 RQ 电阻设置时间响应。RQ 越高，过冲越大，稳定时间越长。RQ 越低，过冲越低，稳定时间越短。图 3 显示了 150 Ω 和 75 Ω RQ 电阻的 LPF 瞬态响应。LPF 驱动器已使用不同的 RQ 值进行了测试，结果如表 4 所示。

图 3：不同 RQ 值的过冲和稳定时间

表 4：不同 RQ 值下的 LPF 驱动器性能

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，仅仅是过冲和稳定时间的一个因素。

ADC 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 时(图 2 中的 RC 驱动电容 C3 和 C4 在 10 MSPS 时为 180 pF)。

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

表 5：10 MSPS 和 15 MSPS 采样率的 LPF 驱动器性能

RC 滤波器

驱动器和 ADC 之间的 RC 滤波器用于带宽限制，以确保在宽带宽内实现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。使用较低的 C 值将导致更高的电荷反冲，但允许更快的充电时间。较高的 C 值将导致较低的电荷反冲，但也会导致较慢的充电时间。此外，设置 RC 的值对于确保样本在给定的采集时间内稳定下来至关重要。使用数据表的推荐值和精密 ADC 驱动器工具的建议值将是一个很好的起点。

精密 ADC 驱动器工具是一款综合工具，可帮助预测驱动器和 ADC 之间使用不同 RC 值时的系统性能。使用此工具可以检查的一些参数包括采样误差时的电荷反冲和采集时间。

为了使用 25 Ω 和 180 pF RC 实现较低的 -3 dB 截止频率，输入信号的稳定和电荷反冲会受到影响。为了获得较低的 -3 dB 截止频率并确保输入信号在采集周期内正确稳定，可以使用较低的采样率。根据LTC2387-18 数据表，采集时间通常为周期时间减去 39 ns。在 15 MSPS 下优化 LTC2387-18 可获得 27.67 ns 的采集时间，而在 10 MSPS 下使用该部件可获得 61 ns 的采集时间。

图 4：不同采样率的电荷反冲 RC_Tau 采集时间：(a) 15 MSPS 采样率，使用 LTC2387-18 的推荐 RC 值(25 Ω 和 82 pF);(b) 15 MSPS 采样率，使用 LTC2386-18 的推荐 RC 值(25 Ω 和 180 pF);(c) 10 MSPS 采样率，使用 LTC2386-18 的推荐 RC 值(25 Ω 和 180 pF)

借助精密 ADC 驱动器工具，图 4 总结了使用不同 RC 值时的反冲差异和 RC 时间常数 (Tau) 以及 10 MSPS 和 15 MSPS 采样率的采集时间。图 4a 显示了 LTC2387-18 在 15 MSPS 采样率下使用推荐的 RC 值 25 Ω 和 82 pF 时的稳定响应。图 4b 显示了在使用 180 pF 的 C 时更高的 RC 时间常数，这导致输入无法在 150MSPS 采样率的 27.6 ns 采集时间内稳定。图 4c 使用与图 4b 相同的 RC(25 Ω 和 180 pF)，但当使用 10 MSPS 采样率时，信号能够在采集时间增加到 61 ns 后稳定下来。

LPF 驱动电阻选择

可以通过改变 R 或 C 来实现 LPF 驱动器的 -3dB 截止频率。电阻噪声是造成系统总噪声的因素之一。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，已尝试使用两个电阻值作为 LPF 驱动器 R：750 Ω 和 412 Ω。理论上，R 越低，SNR 就越好，但从收集的数据(如表 2 和表 3 所示)来看，SNR 并没有太大改善。相反，对 THD 性能的影响更为明显。

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

放大器驱动器选择

在选择要使用的 ADC 驱动器时，最佳规格对于器件的最佳性能至关重要。两个 ADC 驱动器已用于数据收集：ADA4899-1和LTC6228。这些 ADC 驱动器是驱动 LTC2387-18 的良好选择，LTC2387-18 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。根据所做的测试，就 THD 和 SNR 而言，ADA4899-1 和 LTC6228 的性能差异可以忽略不计。

LPF 设计和应用指南

图 5 显示了 LPF 电路。五个相等的电阻器(R1 至 R5)、一个用于调整 LPF 时间响应的电阻器 (RQ)、两个相等的接地电容器(C1 和 C2)和一个反馈电容器 (C3)(其值为接地电容器的十分之一)构成了完整的 LPF 无源元件组(±1% 电阻器和 ±5% 电容器)。

图 5：LPF 电路

简单的 LPF 设计流程

R1 至 R5 = R，C1 和 C2 = C

为了将失真降至最低，电阻器 R1 至 R5 必须在 600 Ω 至 750 Ω 范围内：

· 设置R = 750 Ω

· C = 1.5E9/f 3 dB最接近标准 5% 电容(单位：pF)，f 3 dB为 LPF –3-dB 频率(注 2)

· 例如：如果 f 3 dB为 1 MHz，则 C = (1.5E9)/(1E6) = 1,500 pF

· C3=C/10

· RQ = R/5 或 R/10(注释 3 和 4)

注 1：简单的滤波器设计只需要一个计算器，无需非线性 s 域方程。

注 2：如果 R = 619 Ω，则 C = 1.8E9/f 3 dB，f 3 dB是 LPF –3-dB 频率。

注 3： RQ = R/5 可实现最大阻带衰减，或 R/10 可实现低过冲和快速稳定。

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

注释 4：如果 RQ = R/10，则 –3 dB 频率比 RQ = R/ 5 时低 7%，因此 R1 至 R5 为 RQ/5 时 R 的 0.93×。

注释 5：从 LPF 驱动器差分输出到 ADC 输入的 PCB 走线距离必须为 1 英寸或更小。

注释 6： LPF 运算放大器的 V CC和 V EE分别为 6 V 和 –1 V，输出线性电压摆幅为 0 V 至 4.098 V。

结论

表 2 至表 5 中的 SNR 和 THD 数据提供了对图 2 所示电路性能的洞察。通过增加电容来降低 LPF 带宽可以提高 SNR(降低 LPF 噪声带宽)。较低的 LPF 带宽会增加失真(因为 LPF 稳定时间比实现最小采样误差所需的时间长)。此外，如果 LPF 电阻值太低，则 THD 会降低，因为 LPF 运算放大器会驱动反馈电阻和反相运算放大器输入电阻(在运算放大器输出电流较高时，失真会增加)。

对于 LTC2387-18 ADC，如果使用 10 MSPS 采样频率，LPF 通带必须为 1 MHz 或更高，才能最大程度降低 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。

设计参考：ADI 的精密 ADC 驱动器工具

模数转换器