通信系統(tǒng)中濾波器的設計

時間：2024-06-26 15:19:29

關鍵字：濾波器信道容量 ADC

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[導讀]濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都起著重要作用，因為消除噪聲和失真會增加信道容量。設計一個僅通過所需頻率的濾波器相當容易。

濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都起著重要作用，因為消除噪聲和失真會增加信道容量。設計一個僅通過所需頻率的濾波器相當容易。然而，在實際的物理濾波器實現(xiàn)中，通過濾波器會損失所需的信號功率。這種信號損失對模數(shù)轉換器(ADC) 噪聲系數(shù)的影響分貝。

更糟糕的是，驅動 ADC 的放大器將在濾波器損耗的倍數(shù)處產(chǎn)生失真。例如，如果濾波器有 7dB 的損耗，放大器需要將信號驅動 7dB。這將導致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB;三階產(chǎn)品會差14dB。其中一些失真產(chǎn)物(尤其是互調)無法濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對系統(tǒng)性能至關重要。

選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設計的關鍵部分。最小帶寬、吞吐速率和輸入頻率之間的這種關系說明：輸入頻率越高，則要求RC帶寬越高。同樣，吞吐速率越高，則采集時間越短，從而提高RC帶寬。采集時間對所需帶寬的影響最大;如果采集時間加倍(降低吞吐速率)，所需帶寬將減半。表 1 顯示了一些 ADC，以及它們的輸入規(guī)格和對 ADC 和典型 2Vpp 放大器輸出信號之間可接受損耗量的估計。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓撲。

通常很難找到與模擬輸入范圍一致，但又具有適當輸入數(shù)量、所需尺寸和正確采樣速度的模數(shù)轉換器(ADC)。特別是對于處理寬電壓擺幅的系統(tǒng)設計人員來說，人們擔心縮小輸入信號以驅動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比(SNR)。本應用筆記討論了影響這種SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

使用模數(shù)轉換器(ADC)進行設計時，一個典型的誤解是，縮小輸入信號以驅動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比(SNR)。對于使用寬電壓擺幅的系統(tǒng)設計人員來說，這一點尤其值得關注。使問題更加復雜的是，與高壓電源相比，用于低壓電源(5V或更低)的ADC產(chǎn)品范圍也廣泛得多。更高的電源通常會導致更高的功耗和電路板復雜性，例如需要更多的去耦電容。本應用筆記討論了影響縮放引入的SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

來自傳感器或系統(tǒng)的許多信號是高壓和雙極性的;例如±10V被廣泛使用。但是，有一些簡單的方法可以通過ADC驅動該信號，并且可以使用集成的高壓ADC解決方案來處理如此大的滿量程輸入而不會損失SNR。這些解決方案通常需要額外的高壓電源來適應輸入范圍并消耗相當大的功率(圖 1)。這些高壓ADC還縮小了可用信號調理(運放)解決方案的范圍。如果需要通過高壓和低壓輸入的組合對信號進行多路復用，則實施成本可能會變得相當昂貴(圖 2)。

圖1.MX574A 高壓 ADC 以更高的功耗為代價容納大輸入信號。為了實現(xiàn)這種解決方案，通常需要±15V和+5V電源。

圖2.多路復用雙極性高壓ADC系統(tǒng)。

您還可以使用輸入放大器執(zhí)行信號縮放，以驅動低壓ADC的整個輸入范圍。該信號調理電路可以連接到單個多路復用輸入(見圖3)，因此所有信號都覆蓋ADC的范圍。

圖3.高壓多路復用系統(tǒng)，采用單路MAX11100低壓ADC。

當放大器用于執(zhí)行信號電壓調節(jié)時，噪聲被回饋到放大器的輸入端。目前有兩個主要噪聲源：放大器本身的輸入?yún)⒖荚肼暫虯DC的按比例縮小的輸入?yún)⒖荚肼暋＿@兩個噪聲源以二次方式組合在一起。此外，放大器的噪聲由ADC的輸入帶寬以及放大器和ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾除。參見圖 4。

圖4.縮放放大器引入噪聲，但噪聲由ADC的RC和輸入網(wǎng)絡濾波。

濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都扮演著重要的角色，因為去除噪聲和失真會增加信道容量。設計一個只通過所需頻率的濾波器是相當容易的。然而，在實際的物理濾波器實現(xiàn)中，通過濾波器會損失所需的信號功率。這種信號損失會為模數(shù)轉換器(ADC) 噪聲系數(shù)貢獻分貝。

更糟糕的是，驅動 ADC 的放大器會在濾波器損耗的倍數(shù)處產(chǎn)生失真。例如，如果濾波器有 7dB 的損耗，則放大器需要將信號驅動 7dB。這將導致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB;三階產(chǎn)品會差14dB。其中一些失真產(chǎn)物(尤其是互調)無法被濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對系統(tǒng)性能至關重要。

圖 1：典型信號鏈

選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設計的關鍵部分。表 1 顯示了一些 ADC，以及它們的輸入規(guī)格以及 ADC 與典型 2Vpp 放大器輸出信號之間可接受的損耗量的估計值。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓撲。

表1 ：ADC 輸入?yún)?shù)

過濾器損失的來源

有兩種類型的濾波器損耗：與濾波器組件直接相關的損耗和與將濾波器集成到系統(tǒng)中相關的損耗。濾波器元件損耗幾乎都是由寄生電阻造成的。為了減少元件損耗，請盡量減少濾波器元件的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

雖然濾波器組件在理想情況下沒有損耗，但與將濾波器集成到系統(tǒng)相關的損耗更為復雜。濾波器設計為具有輸入和輸出阻抗，這通常需要電阻器來提供寬帶阻抗匹配，如圖 1 所示。這些匹配電阻器對系統(tǒng)電壓增益造成 6dB 的損耗。

參考測量是另一個關鍵考慮因素。雖然 RF 系統(tǒng)通常圍繞功率水平設計，但幾乎 100% 的可用 ADC 采樣電壓而不是功率。出于這個原因，ADC 驅動放大器和 ADC 之間的損耗通常以分貝伏特而不是分貝功率來指定。這可能會令人困惑，但它很重要——因為它是 ADC 測量中顯示的電壓損失。請注意，3dB 的功率損失相當于 6dB 的電壓損失。

阻抗變換

由于 ADC 采樣的是電壓而不是功率，因此可以將濾波器用作電壓增益電路。這是可能的，因為電壓和阻抗對于給定的功率水平是成比例的。圖 2 所示的原理圖給出了一個示例，該示例使用低阻抗輸入和高阻抗輸出，通過使用濾波器提高電壓來降低整體損耗。圖 3 顯示了結果。電壓損耗下降2.5dB。這種方法在 ADC 輸入阻抗為 200Ω 或更高時效果最佳。查看表 1，該方法適用于我們的 16 位、1-GSPS、雙通道 ADS54J60 和 16 位、370-MSPS、雙通道 ADC16DX370。