利用開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波

　　帶外雜散信號(hào)所引起的混疊現(xiàn)象是A/D 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中所面臨的關(guān)鍵問題，如果沒有適當(dāng)?shù)臑V波處理，這些信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文主要討論抗混疊濾波的原理及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文針對(duì)這一應(yīng)用，提供了一個(gè)開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)范例，該方案具有極高的性價(jià)比。本文幾乎涵蓋了所有與高性能系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的重要參數(shù)和實(shí)際問題。

　　產(chǎn)生混疊的來源：這一點(diǎn)在奈奎斯特定理中給出了說明。奈奎斯特定理指出：時(shí)間連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)時(shí)，需要在一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)多于2 次。如果采樣次數(shù)不夠，將無法恢復(fù)丟失的信息。從圖1 可以更清晰地看到這一點(diǎn)，如果信號(hào)每周期采樣一次，得到的只是一個(gè)直流信號(hào)(幅度為任意值)，如圖1a所示。如果每周期采樣兩次，得到一個(gè)方波信號(hào)(圖1b)。值得注意的是：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行每周期2 次的采樣是一種非常特殊的情況，任何時(shí)候都要避免這種情況。圖1c所示是以200kHz 采樣率對(duì)190kHz 信號(hào)進(jìn)行采樣的情況。所得信號(hào)是一個(gè)完好的正弦波，但頻率是錯(cuò)誤的。頻率的改變正是由于混疊現(xiàn)象導(dǎo)致的。

　　圖2所示是在頻域的表現(xiàn)形式，從圖中可以看出，頻率高于 f > fs/2 的信號(hào)被鏡像到fs/2。為了避免這種現(xiàn)象，必須保證信號(hào)中沒有更高的頻率成份。因此，我們必須了解信號(hào)的最高頻率，采樣頻率需要高于這個(gè)頻率的兩倍。一種最原始的考慮是從數(shù)字域解決這個(gè)問題，但這顯然是不可取的，因?yàn)橐坏┩瓿尚盘?hào)采樣，有些信號(hào)混疊到所感興趣的頻段，則無法從信號(hào)中移除這些頻率成份。抗混疊濾波必須在模擬域進(jìn)行，即在信號(hào)采樣之前。

　　下一步 — 設(shè)計(jì)抗混疊濾波器。設(shè)計(jì)抗混疊濾波器需要首先確定所希望的濾波特性(截止頻率、過渡帶衰減等)，然后選擇能夠滿足應(yīng)用需求的最佳濾波方案(有時(shí)稱為濾波器類型)。一般情況下，采用過采樣、而且過采樣頻率越高，濾波器設(shè)計(jì)越容易。但是，過采樣需要更高速率的ADC，成本也越高。

　　例如，過采樣因子為8 時(shí)，采樣頻率是最高信號(hào)頻率的八倍。這在ADC 成本和濾波器復(fù)雜度方面達(dá)到了一個(gè)較好的折衷。假設(shè)ADC 分辨率為14 位，能夠提供80dB 的信噪比(SNR) 。采用一半的采樣率(這里為信號(hào)頻率的4 倍)時(shí)，低通濾波器需要提供80dB 的衰減，以確保所有雜散信號(hào)經(jīng)過足夠的衰減，不會(huì)出現(xiàn)在采樣后的信號(hào)中。這意味著在過渡帶內(nèi)需要提供每倍頻程40dB 的衰減，需要高階濾波器達(dá)到這一設(shè)計(jì)要求。7 階巴特沃斯濾波器能夠滿足上述要求，但對(duì)于具體應(yīng)用并非最佳選擇。可針對(duì)不同的應(yīng)用選擇不同的濾波器類型，圖3所示為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和橢圓濾波器的頻響特性。從圖中可以看出，它們具有不同的通帶、過渡帶特性。橢圓濾波器與巴特沃斯濾波器相比，橢圓濾波器的過渡帶更陡峭，但其相頻特性較差。應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用選擇濾波器類型，對(duì)于普通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以選用巴特沃斯濾波器(或貝塞爾濾波器)，如果對(duì)相位精度要求不高的話，也可以選擇切比雪夫、甚至橢圓濾波器。

　　通用的A/D 轉(zhuǎn)換器有：用于中等速率的SAR ( 逐次逼近) ADC；用于高速到超高速率的閃速ADC；用于低速系統(tǒng)的Σ-Δ ADC。它們都需要抗混疊濾波器，對(duì)濾波器的要求取決于轉(zhuǎn)換速率、所希望的輸入帶寬，但Σ-Δ ADC 比較特殊。這種轉(zhuǎn)換技術(shù)采用非常高的輸入采樣率和轉(zhuǎn)換速率，而后續(xù)數(shù)字濾波降低了有效吞吐率，這會(huì)影響分辨率(動(dòng)態(tài)范圍)的提高。Σ-Δ ADC 對(duì)抗混疊濾波器的要求與輸入采樣率和最高信號(hào)頻率之比有關(guān)，這種對(duì)需求的降低同樣也表現(xiàn)在其它過采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，這種情況下可以選用簡單的RC 濾波器。選用較簡單的抗混疊濾波器會(huì)產(chǎn)生較長的傳輸延時(shí)，這為使用閉環(huán)控制或多路轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器增加了設(shè)計(jì)難度。

　　由于模擬濾波器具有一定的設(shè)計(jì)難度和較大的公差，而且制造困難，特別是對(duì)于空間緊湊的產(chǎn)品，許多設(shè)計(jì)人員不愿意使用模擬濾波器。衡量誤差的一個(gè)較好準(zhǔn)則是假設(shè)分離元件容限加倍，這樣，如果采用標(biāo)準(zhǔn)的商用化電阻器和電容器，將對(duì)角頻率和過渡帶造成很大的誤差。解決這一問題的最佳途徑是選擇集成濾波器方案，可以從Maxim 等公司獲得這種芯片。集成濾波器有兩種類型：連續(xù)時(shí)間濾波器和開關(guān)電容濾波器，連續(xù)時(shí)間濾波器通常需要外部元件調(diào)節(jié)角頻率，從而限制了它們的靈活性。開關(guān)電容濾波器可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)靈活使用，一般情況下，可以替代分離或集成連續(xù)時(shí)間濾波器。集成濾波器有兩種類型：連續(xù)時(shí)間濾波器和開關(guān)電容濾波器，連續(xù)時(shí)間濾波器通常需要外部元件調(diào)節(jié)角頻率，從而限制了它們的靈活性。開關(guān)電容濾波器可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)靈活使用，一般情況下，可以替代分離或集成連續(xù)時(shí)間濾波器。

　　開關(guān)電容濾波器是一種很早就被人們認(rèn)可的濾波器結(jié)構(gòu)，利用當(dāng)前的硅工藝技術(shù)能夠可靠集成。其工作原理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)如圖4所示。工作原理是：在電容器兩端的開關(guān)控制下，電容被充電、放電。這種電荷轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生脈沖電流，可以計(jì)算其平均電流，當(dāng)開關(guān)頻率足夠快時(shí)，該電流等效于流過電阻的電流，可看作是電阻被一個(gè)電容所取代。電流和間接電阻值取決于兩個(gè)因素：電容大小和開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高、電容值越大，則電流越大，或者說，電阻值越小。如果采用這種濾波器結(jié)構(gòu)，頻率特性將隨著電容尺寸或開關(guān)頻率的變化而改變。在集成方案中，電容值是固定的，濾波特性受開關(guān)頻率的控制。這種濾波器的原理如圖5所示。

　　濾波器的精度取決于各個(gè)元件的容限，分離方案中，我們只能使用容限不一致的元件。而在集成方案中，可以保證很高的元件一致性(0.1%以內(nèi))。因此，我們可以很好地控制集成濾波器的頻響特性。例如，MAX7490 的角頻率精度可以達(dá)到0.2%，而采用分離元件則無法達(dá)到這一指標(biāo)。另外，集成方案還具有出色的溫度特性，溫漂系數(shù)可以達(dá)到10ppm/