Δ-Σ ADC模數轉換器抗混疊濾波器組件選擇

QA&問：Δ-Σ ADC 模數轉換器抗混疊濾波器組件選擇

低速 Δ-Σ ADC 通常需要一個簡單的單極 RC 濾波器來減少混疊效應。對于差分信號，濾波器結構通常由兩個濾波路徑組成：一個差分濾波器(源自兩個濾波器電阻 RFILTER 和差分電容器 CDIFF 的組合);和一個共模濾波器(源自一個濾波器電阻 RFILTER 和共模電容器 CCM 的組合)。這如圖 1 所示。

圖 1：低速Δ-Σ ADC 的抗混疊濾波器結構

[注意：如果您有一個單端輸入，其中 AINN 是接地參考，則濾波器將由 RFILTER 和 CCM 組成。但是，設計指南將與下面描述的 差分 濾波器的設計指南相同。]

為了確定圖 1 中每個組件的值，將分析分為三個部分會有所幫助：

差分濾波器截止頻率應該是多少?

我應該選擇多大阻值的濾波電阻器?

我應該選擇多大容值的差分和共模電容器?

對于每個問題，ADS124S08 (24 位、12 通道、4kSPS Δ-Σ ADC)將用作示例數據轉換器，以幫助說明如何將這些設計原則付諸實踐。

差分濾波器截止頻率應該是多少?

抗混疊濾波器的目的是將頻率內容保持在 ADC 調制器頻率 (fMOD) 或附近，使其不再混疊回傳通帶，因為這些頻率不會被數字濾波器本身拒絕。因此，請設置差分濾波器的 3dB 截止頻率 fC-DIFF，使其比 fMOD 低 10 到 100 倍。這將分別導致 fMOD 周圍出現 20dB 至40dB 的頻率抑制。所需的抑制量取決于系統的設計目標。如果您想了解有關抗混疊濾波器基礎知識的更多信息，以及您應該關注調制器頻率混疊的原因。

對于 ADS124S08，fMOD 為 fCLK/16，其中 fCLK 是主時鐘頻率，如圖 2 所示。給定標稱內部振蕩器頻率 4.096MHz 后，fMOD = 4.096MHz/16 =256kHz。因此，對于這個特定的 ADC，可以選擇fC-DIFF = 2.56kHz 或 fC-DIFF = 25.6kHz，以分別獲得 20dB 或 40dB 的抑制。此外，請確保 fC-DIFF 也大于數字濾波器的 -3dB 頻率 f3dB，否則 RC 濾波器會影響數字濾波器特性。

圖 2：ADS124S08 數字濾波器結構和調制器時鐘

我應該選擇多大阻值的濾波電阻器?

在圖 1 所示的系統中，濾波電阻器也用作電流限制器。因此，該電阻器的尺寸可限制最大引腳輸入電流 (IMAX)，如 ADC 的絕對最大額定值表所示。要確定此電阻上允許的壓降，您需要在系統輸入 (VOV) 上看到預期過壓條件以及 ADC 集成 ESD 保護二極管 (VESD) 的接通電壓。然后，您可以使用以下公式來求解電阻器值 RFILTER：

RFILTER >(VOV – VESD)/IMAX

對于 ADS124S08，IMAX 為 10mA。如圖 3 所示，當輸入電壓超過模擬電源 300mV 時，ADS124S08 的ESD 二極管會導通。

圖 3：ADS124S08 的 ESD 信息

如果您假設 AVDD = 5V，并且預期的最大過壓條件 VOV 為 20V，那么您現在可以獲得確定 RFILTER 最小阻值所需的全部信息：

VOV =20V

VESD =AVDD + 0.3V = 5.3V

IMAX =10mA

RFILTER >(VOV – VESD)/IMAX =(20V – 5.3V)/10mA =1,470 ?

請注意，在給定系統參數的情況下，這是電阻器可用于限制進入 ADC 引腳的電流的絕對最小值。妥善做法是在計算電阻器阻值時，允許過壓條件和最大電流有一定的裕量。這可確保提供更強大的保護電路，以適應任何潛在的系統變化。例如、您可以假設 VOV 的容差為 10%，IMAX 的容差為 30%：

VOV =VOV x 1.1 = 22V

VESD =AVDD + 0.3V = 5.3V

IMAX =IMAX x 0.7 = 7mA

RFILTER >(VOV – VESD)/IMAX =(22V – 5.3V)/7mA = 2,386?

計算適當的電阻值后，選擇一個等于或大于該值的標準電阻器。

我應該選擇多大容值的差分和共模電容器?

由于您已經確定了濾波器截止值和電阻器阻值，因此可以使用以下公式來確定差分濾波器 CDIFF 的電容器容值：

CDIFF =1/[2 x π x fC x(2 x RFILTER)]

然后選擇共模電容器 CCM，使其比 CDIFF 小 10 到 20 倍，這樣：

CCM =CDIFF/10

給定之前確定的 RFILTER 和 fC-DIFF 值后，您可以按如下所示計算電容器值：

CDIFF =1/[2 x π fC x(2 x RFILTER)] = 1/[2 x π x 2,560Hz x (2 x 1,470?)] = 21nF

CCM =CDIFF /10 = 21nF/10 = 2.1nF

審核編輯：湯梓紅