为何要组合使用低通滤波器和模数转换器驱动器？（什么时候用组合什么时候用继承）

原标题：为何要组合使用低通滤波器和模数转换器驱动器？通过驱动ADC实现优化的混合信号性能，这是一大设计挑战图1所示为标准的驱动器ADC电路在ADC采集期间，采样电容将反冲RC滤波器中指数衰减的电压和电流。

混合信号ADC驱动器电路的最佳性能受到多个变量影响驱动器的建立时间、RC滤波器的时间常数、驱动阻抗，以及ADC采样电容的反冲电流在采样时间内相互作用，导致产生采样误差采样误差随着ADC位数、输入频率和采样频率的增大而增大。

标准ADC驱动器具有大量实验数据样本，可用于可靠的设计流程但缺乏实验数据来引导进行驱动ADC的低通滤波器设计本文介绍集成模拟低通滤波、信号压缩和ADC驱动器的LPF驱动器电路（参见图2）表1列出了图2所示电路的性能变量。

下方的实验室数据和分析旨在引导说明，给出图2所示的电路的时间和频率响应限值表1.图2所示电路的性能变量实验室数据和分析信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)是衡量系统动态性能的两个重要参数能否实现最佳性能，取决于ADC和信号调理级的组合，在本文中，后者包括三阶低通滤波器和单端至差分转换器。

图2所示的LPF驱动器电路的–3dB带宽和建立时间会有所不同，有关SNR和THD的测量值，请参见表2至表5本文将会探讨受测变量和这些变量对系统性能的影响1 低通滤波器–3dB带宽比较信号带宽为1MHz与2MHz和0.5MHz时系统的性能。

当–3dB点分别为558kHz、1MHz、和2.3MHz，其性能如表2所示将截止频率降低至558kHz，LPF噪声带宽随之降低，但SNR提高将截止频率增大至1MHz或2.3MHz，LPF驱动器建立时间缩短，THD降低。

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.R=750Ω时三种截止频率对应的LPF驱动器性能更改图2所示的R或C可以更改截止频率使用C电容来设置截止频率时，LPF驱动器THD更低；R电阻值降低，有助于略微改善SNR；如表3所示。

表3.R=412Ω时三种截止频率对应的LPF驱动器性能2 设置RQ电阻（图2）LPF的RQ电阻可设置时间响应RQ越高，过冲越大，建立时间越长RQ越低，过冲越小，建立时间越短图3显示使用150Ω和75ΩRQ电阻时对应的LPF瞬态响应。

我们测试了使用不同的RQ时LPF驱动器的性能，测试结果如表4所示

图3.不同的RQ值对应的过冲和建立时间表4.不同的RQ值对应的LPF驱动器性能根据实际测量得出的数据，使用75Ω和150ΩRQ对SNR和THD性能没有明显影响，只是影响过冲和建立时间的一个因素3 ADC采样速率

表5中的数据显示，如果使用LTC2387-18，在10MSPS时系统的THD性能低于15MSPS时（在10MSPS时，图2中的RC驱动器电容C3和C4的值为180pF）注：在10MSPS时，LTC2387-18和LTC2386-18的采样时间分别为61ns和50ns。

表5.采样速率为10MSPS和15MSPS时的LPF驱动器性能4 RC滤波器驱动器和ADC之间的RC滤波器用于限制带宽，确保实现宽带宽低噪声，且实现更优的信噪比RC数值决定–3dB截止频率降低R有时可能导致响铃振荡和不稳定。

增大R会增大采样误差使用更低的C值，会导致更高的电荷反冲，但充电时间更快使用更高的C值，可以降低电荷反冲，但充电时间会变慢此外，设置RC值是确保在给定的采样时间内获取稳定样本的关键使用数据手册的推荐值和精密ADC驱动器工具给出的建议值会是一个非常不错的起点。

精密ADC驱动器工具是一款综合工具，可以帮助预测在驱动器和ADC之间使用不同的RC值系统的性能可以使用这款工具检查的参数包括电荷反冲、采样误差和采样时间使用25Ω和180pFRC实现更低的–3dB截止频率时，输入信号建立时间和电荷反冲会受到影响。

要实现更低的–3dB截止频率，并确保输入信号在采集时间内正确建立，我们可能需要使用更低的采样速率根据LTC2387-18数据手册，采样时间通常是周期时间减去39ns在15MSPS使用LTC2387-18时，采样时间为27.67ns，在10MSPS使用此器件时，采样时间为61ns。

图4.使用不同采样速率时的电荷反冲、RC_Tau、采样时间：(a)15MSPS采样速率，LTC2387-18使用建议的RC值（25Ω和82pF），(b)15MSPS采样速率，LTC2386-18使用建议的RC值（25Ω和180pF），(c)10MSPS采样速率，LTC2386-18使用建议的RC值（25Ω和180pF）。

借助精密ADC驱动器工具，图4a至4c汇总列出了使用不同的RC值时对应的反冲差值和RC时间常数(Tau)，以及采样速率为10MSPS和15MSPS时的采样时间图4a显示LTC2387-18在15MSPS采样速率下，使用推荐RC值（25Ω和82pF）时的建立响应。

图4b显示在C为180pF时，得出的RC时间常数更高，这导致在15MSPS采样速率、27.6ns采样时间内输入信号无法建立图4c使用与图4b相同的RC值（25Ω和180pF），但在使用10MSPS采样速率、采样时间增加至61ns之后，信号能够建立。

5 LPF驱动器电阻选择可以通过更改R或C来实现LPF驱动器的–3dB截止频率电阻噪声是系统总噪声的组成部分根据噪声计算公式，从理论上来说，降低电阻值可以降低电阻噪声为了进行验证，我们尝试了两个不同的电阻值作为LPF驱动器R，分别是750Ω和412Ω。

从理论来说，R更低时得出的SNR应该更佳，但从实际获得的数据来看，如表2和表3所示，SNR并无很大改善，相反，这会对THD性能产生更大影响LPF电阻（图1中的R）越低，放大器所需的电流越大使用更低的电阻值时，运算放大器的输出电流高于最大线性驱动电流。

6 放大器驱动器选择在选择要使用的ADC驱动器时，实现器件最佳性能所对应的规格至关重要我们使用两个ADC驱动器来收集数据，分别是ADA4899-1和LTC6228这些ADC驱动器非常适合用于驱动LTC2387-18，后者用于进行实验室测量。

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已完成的测试，从THD和SNR这两个方面来看，ADA4899-1和LTC6228的性能差异可以忽略LPF设计和应用指南图5显示LPF电路。

5个相同电阻（R1至R5）、1个用于调节LPF时间响应的电阻(RQ)、2个相同的接地电容（C1和C2），以及1个数值为接地电容1/10的反馈电容(C3)，这些器件构成了LPF无源组件（±1%电阻和±5%电容）。

图5.LPF电路简单的LPF设计流程（注1）R1至R5=R，C1和C2=C要尽量降低失真，电阻R1至R5的值必须在600Ω至750Ω范围内设置R=750ΩC=1.5E9/f 3dB （最接近标准的5%电容pF），f 3dB 为LPF–3dB频率（注2）。

例如：如果f 3dB 为1MHz，那么C=(1.5E9)/(1E6)=1500pFC3=C/10RQ=R/5或R/10（注3和4）注1.简单的滤波器设计只需要一个计算器，无需使用非线性s域公式注2.如果R=619Ω，那么C=1.8E9/f 3dB ，f 3dB 为LPF–3dB频率。

注3.RQ=R/5，用于实现最大阻带衰减，RQ=R/10，用于实现低过冲和快速建立时间采用RQ/5和RQ/10时，在10×f –3dB 时，阻带衰减分别为–70dB和–62dB 注4.如果RQ=R/10，–3dB频率比RQ=R/5时低7%，也就是说，R1至R5等于RQ/5时R的0.93。

注5.LPF驱动器差分输出至ADC输入的PCB线路距离为1或更低注6.LPF运算放大器的VCC和VEE分别为6V和–1V，输出线性电压摆幅为0V至4.098V结论根据表2至表5的SNR和THD数据，我们可以了解图2所示电路的性能。

通过增大电容来降低LPF带宽，这会增大SNR（降低LPF噪声带宽）LPF带宽越低，失真程度越高（因为LPF建立时间比实现最低采样误差所需的时间长）此外，如果LPF电阻值太低，THD会随之降低，因为LPF运算放大器需要驱动反馈电阻和反相运算放大器输入电阻（运算放大器输出电流更高时，失真程度降低）。

LTC2387-18ADC采用10MSPS采样频率时，LPF通带必须为1MHz或高于1MHz，以尽可能降低THD将LPF设置为1MHz，是对SNR、THD和足量ADC混叠抑制的任意妥协设计参考：ADI的精密ADC驱动器工具。

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