高精度SAR模數轉換器的抗混疊濾波考慮因素

關鍵詞： SAR , 模數轉換 , 抗混疊

Antialiasing Filtering Considerations for High Precision SAR Analog-to-Digital Converters

作者：Patrick Butler，ADI公司

簡介

在物聯網和云計算成為生活一部分，在行業媒體大肆宣揚之際，通過采用最先進的技術和優化設計，老式電子元件并未停止前進的步伐。其中一個例子是模數轉換器，該器件現在可以超過每秒一兆次采樣(MSPS)的速率實現32位分辨率，輕松通過傳統的計量基準測試。

這些高精度轉換器可以顯示高于16位的分辨率，規定可比靜態和動態特性，并且在儀表儀器和大型通用采集系統（測試、設備認證）、專業系統（醫療應用和光譜學數字成像）等專用領域以外，它們已經進入許多過程控制應用、可編程控制器、大型電機控制以及電能輸配等領域。目前，幾種ADC架構在精度方面不相上下；根據不同需求，具體的選擇視模數轉換原理、逐次逼近寄存器(SAR)以及Σ-Δ而定，在數MSPS速率下，這些架構分別支持最高24位或以上的分辨率，為24位或更多，在幾百kSPS速率下支持32位分辨率。當面對這些分辨率和精度水平時，這些轉換器提供的有用動態范圍很容易超過100 dBFS（滿量程）的神奇屏障，用戶面臨的真正挑戰體現在為要數字化的信號設計模擬調理電路，以及相關抗混疊濾波器的設計兩個方面。在過去的二十年中，采樣速率和濾波技術已經有了很大的發展，現在我們可以結合運用模擬和數字濾波器，在性能和復雜性之間達到更好的平衡。

圖1所示為適用于數據采集系統的這類分區的一個典型示例。在調節差分或非差分信號（放大、縮放、自適應和電平轉換等）之后，在數字化之前對后者進行濾波以滿足奈奎斯特準則。根據ADC的過采樣速率，要使用額外的數字濾波來達到采集系統的規格要求。

由于對超寬輸入動態范圍的需求增加，許多上述應用采用了最先進的高分辨率ADC。隨著動態范圍的增加，系統性能預計會提高，模擬調節鏈會減小，擁堵、能耗，甚至是材料成本都會下降。

過采樣及其好處

在超快高分辨率模數編碼器出現之前，一般通過以下辦法解決動態范圍問題：使用快速可編程增益放大器、更快的比較器和/或并聯若干ADC，最后加上合適的數字處理模塊，以實現強信號的數字化，區分接近噪聲水平的小信號。在這些陳舊并且現已過時的架構中，這樣做會帶來復雜的電路，很難開發，并且在線性度、帶寬和采樣頻率方面都受到限制。當今的替代方案是，借助更經濟的現代ADC的高采樣速率，達到運用過采樣技術的目的。以高于奈奎斯特定理要求的最小值的 FSE 速率對信號進行采樣，可以通過處理和增加編碼器的信噪比來執行增益運算，并因此增加有效位的數量。實際上，量化噪聲和熱噪聲被同化為白噪聲，該噪聲在整個奈奎斯特頻帶及以外均勻分布。過采樣之后，通過濾波和嚴格以最小所需采樣速率（或2 × BW）限制有用頻帶，頻帶每降低一個倍頻程，噪聲能量將降低3 dB，如圖2所示。換句話說，過采樣因子為4時最為理想，在理論上使信噪比增加了6dB；即是說，增加了一位，如等式1所示：

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圖1.典型測量信號鏈。

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圖2.通過添加數字抽取濾波器比較頻譜噪聲密度。

總之，過采樣有兩個優點，一是可以提升信噪比，二是可以放寬對位于ADC之前的抗混疊模擬濾波器的要求。

抗混疊濾波器：分區困境

理想情況下，與ADC相關的濾波器，特別是那些負責解決頻譜混疊問題的濾波器，相比其精度，其幅度響應帶寬必須盡可能平坦，同時其帶外衰減還要能滿足其動態范圍要求。過渡帶一般要盡可能陡。因此，這些抗混疊低通濾波器在特性上有特定的要求，必須能消除寄生鏡像、噪聲和其他雜散音。根據具體應用，還要特別注意相位響應，也要補償任何過大的相移。雖然有許多建議被認為屬于基礎建議，但是，如果要將這些建議與指定的24位或32位轉換器的要求結合起來，并且這些轉換器的積分非線性誤差僅為幾LSB，再加上其他類似的靜態和動態參數，有些建議實現起來會極其困難。

如前所述，過采樣在此非常重要，因為它不僅能提升信噪比，還能放寬對模擬抗混疊濾波器規格及其截止頻率的要求。如圖3所示，過采樣分布在-3 dB條件下截止頻率與阻帶起點之間的過渡帶。

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