Активный малошумящий антиалайзинговый фильтр для 24-битного АЦП

Guy Hoover, Analog Devices

Electronic Design

АЦП последовательных приближений высокого разрешения часто нуждаются в антиалайзинговых фильтрах высокого порядка, подобных фильтру третьего порядка, малошумящая и малопотребляющая версия которого представлена в этой статье.

Во многих приложениях аналого-цифрового преобразования вполне адекватную антиалайзинговую фильтрацию может обеспечить простой резистивно-емкостной (RC) фильтр, включенный на входе буфера. Однако для приложений с высоким разрешением и низким уровнем шумов, требующих фильтрации более высокого порядка, часто нужны активные фильтры. Чтобы фильтр не искажал сигнал до того, как он достигнет АЦП, его активные компоненты должны иметь достаточную полосу пропускания, малое время установления, низкий уровень шумов и низкое напряжение смещения.

30-килогерцовый активный фильтр третьего порядка на основе операционного усилителя U2 имеет достаточную полосу пропускания, малое время установления, низкие шумы и низкое напряжение смещения, необходимые для управления 24-битным АЦП.
Рисунок 1. 30-килогерцовый активный фильтр третьего порядка на основе операционного усилителя
U2 имеет достаточную полосу пропускания, малое время установления, низкие шумы и низкое
напряжение смещения, необходимые для управления 24-битным АЦП.

В этой схеме используется дифференциальный операционный усилитель, оптимизированный для управления маломощными АЦП последовательных приближений, хотя он будет хорошо работать и с другими преобразователями (Рисунок 1). Схема 30-килогерцового фильтра третьего порядка сделана на основе операционного усилителя U2 (LTC6363), имеющего произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 500 МГц, время установления до точности 4 ppm не более 780 нс, приведенное ко входу напряжение шумов 2.9 нВ/√Гц и максимальное напряжение смещения 100 мкВ. Усилитель U2 оптимизирован для управления микросхемой U1 (LTC2380-24) – малопотребляющим АЦП последовательных приближений с частотой выборки 1.5/2 Мвыб/c и интегрированным цифровым фильтром, который в реальном времени может усреднять от 1 до 65,536 результатов преобразования, повышая, таким образом, отношение сигнал/шум.

Общая частотная характеристика фильтра и АЦП остается плоской до входных частот 10 кГц.
Рисунок 2. Общая частотная характеристика фильтра и АЦП
остается плоской до входных частот 10 кГц.

Входы этой схемы управляются дифференциальным сигналом с размахом до ±2.5 В пик-пик, подаваемым через резисторы R3 и R5. (Или можно заземлить один вход, а на другой подавать сигнал размахом до ±5 В). Выход ультрамалошумящего усилителя U4 (LT6202) подключен к входу синфазного напряжения (вывод 2) усилителя U2, чтобы установить на его выходе опорный уровень синфазного напряжения.

Снимок экрана PScope показывает ключевые параметры схемы - БПФ, отношение сигнал/шум и THD - при N = 1.
Рисунок 3. Снимок экрана PScope показывает ключевые параметры схемы – БПФ, отношение
сигнал/шум и THD – при N = 1.

В схеме RC-фильтра между U2 и U1 следует использовать высококачественные конденсаторы и резисторы (C5, C6, C7, R6 и R7), поскольку эти компоненты могут быть источниками искажений. Отличную линейность имеют конденсаторы с диэлектриком NP0 и слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками, а металлопленочные резисторы поверхностного монтажа гораздо меньше, чем углеродные SMD резисторы, искажают сигнал при саморазогреве или возможном повреждении во время пайки.

Детали зависимости THD от входной частоты показывают, что THD всегда остается ниже -60 дБ, даже при частоте 100 кГц, как для N = 1, так и для N = 8.
Рисунок 4. Детали зависимости THD от входной частоты показывают,
что THD всегда остается ниже –60 дБ, даже при частоте 100 кГц,
как для N = 1, так и для N = 8.

На Рисунке 2 показана общая частотная характеристика фильтра и АЦП при частоте выборки 1.5 Мвыб/с и количестве усреднений N, имеющем значения 1 и 8. Снимок экрана PScope на Рисунке 3 характеризует быстрое преобразование Фурье (БПФ), отношение сигнал/шум и общие гармонические искажения (THD) схемы при N = 1. (PScope – основанная на USB система демонстрации продуктов и выборки данных, предназначенная для использования с семействами высокоуровневых АЦП и входных микросхем цепей обработки сигналов компании Linear Technology).

Отношение сигнал/шум за пределами входной частоты 100 кГц составляет 100 дБ и более. (Опять же, для N = 1 и N = 8).
Рисунок 5. Отношение сигнал/шум за пределами входной частоты 100 кГц
составляет 100 дБ и более. (Опять же, для N = 1 и N = 8).

На Рисунках 4 и 5 представлены, соответственно, частотные зависимости THD и отношения сигнал/шум при N, равном 1 и 8. При входных частотах ниже нескольких килогерц характеристики шумов и THD близки к типовым значениям, приводимым в техническом описании, а при увеличении частоты и выходе за пределы этого диапазона THD постепенно ухудшается.

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 664
сейчас смотрят 11
представлено поставщиков 578
загружено
позиций
25 067 862