驅(qū)動(dòng) ADC 時(shí)如何最小化濾波器損耗

濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都扮演著重要的角色，因?yàn)槿コ?a href="/tags/噪聲" target="_blank">噪聲和失真會(huì)增加信道容量。設(shè)計(jì)一個(gè)只通過所需頻率的濾波器是相當(dāng)容易的。然而，在實(shí)際的物理濾波器實(shí)現(xiàn)中，通過濾波器會(huì)損失所需的信號(hào)功率。這種信號(hào)損失會(huì)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 噪聲系數(shù)貢獻(xiàn)分貝。

更糟糕的是，驅(qū)動(dòng) ADC 的放大器會(huì)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(hào)驅(qū)動(dòng) 7dB。這將導(dǎo)致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB;三階產(chǎn)品會(huì)差14dB。其中一些失真產(chǎn)物(尤其是互調(diào))無(wú)法被濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

圖 1：典型信號(hào)鏈

選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)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(hào)之間可接受的損耗量的估計(jì)值。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個(gè)任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓?fù)洹?

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(guān)的損耗和與將濾波器集成到系統(tǒng)中相關(guān)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(qǐng)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(guān)的損耗更為復(fù)雜。濾波器設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)電壓增益造成 6dB 的損耗。

參考測(cè)量是另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。雖然 RF 系統(tǒng)通常圍繞功率水平設(shè)計(jì)，但幾乎 100% 的可用 ADC 采樣電壓而不是功率。出于這個(gè)原因，ADC 驅(qū)動(dòng)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(huì)令人困惑，但它很重要——因?yàn)樗?ADC 測(cè)量中顯示的電壓損失。請(qǐng)注意，3dB 的功率損失相當(dāng)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?yàn)殡妷汉妥杩箤?duì)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(gè)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(jié)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(shí)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。

圖 2：具有不同阻抗比的濾波器

圖 3：不同阻抗比的濾波器響應(yīng)

降低濾波器的驅(qū)動(dòng)阻抗

如果 ADC 的差分輸入阻抗低于 200Ω，增加濾波器的端接電阻將無(wú)法正常工作。相反，請(qǐng)嘗試降低濾波器的驅(qū)動(dòng)阻抗，如圖 4 所示。再次查看表 1，此方法適用于 ADC16DX370 或 ADC12J4000。

在圖 4 所示的第二個(gè)電路中，從圖 1 中移除 40Ω 電阻會(huì)降低驅(qū)動(dòng)阻抗，從而將放大器的 10Ω 內(nèi)部電阻作為驅(qū)動(dòng)阻抗。這會(huì)降低濾波器損耗，但會(huì)影響濾波器頻率響應(yīng)。圖 5 具有正確終止和不匹配的濾波器響應(yīng)的頻率響應(yīng)圖。

使用低通濾波器，我們可以調(diào)整濾波器轉(zhuǎn)角頻率以恢復(fù)丟失的帶寬，但使用帶通濾波器則更加困難。通帶平坦度和鄰道抑制都會(huì)因驅(qū)動(dòng)阻抗不當(dāng)而受到影響。

圖 4：具有不同驅(qū)動(dòng)阻抗的濾波器

圖 5：不同驅(qū)動(dòng)阻抗的結(jié)果

結(jié)論

降低濾波器電抗元件的 ESR 損耗并調(diào)整其驅(qū)動(dòng)和端接阻抗有助于在驅(qū)動(dòng) ADC 時(shí)管理信號(hào)損耗。ADC 的輸入阻抗限制了濾波器的端接阻抗，因此仔細(xì)選擇 ADC 至關(guān)重要。如果我們需要這方面的指導(dǎo)，請(qǐng)?jiān)诟咚贁?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器論壇或高速放大器論壇中發(fā)布我們的需求。我們的專家可以推薦一款非常適合我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 ADC，并在我們開始后回答問題。