QA&問(wèn)：Δ-Σ ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器抗混疊濾波器組件選擇

低速 Δ-Σ ADC 通常需要一個(gè)簡(jiǎn)單的單極 RC 濾波器來(lái)減少混疊效應(yīng)。對(duì)于差分信號(hào)，濾波器結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)濾波路徑組成：一個(gè)差分濾波器(源自兩個(gè)濾波器電阻 RFILTER 和差分電容器 CDIFF 的組合);和一個(gè)共模濾波器(源自一個(gè)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(jié)構(gòu)

[注意：如果您有一個(gè)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(shè)計(jì)指南將與下面描述的 差分 濾波器的設(shè)計(jì)指南相同。]

為了確定圖 1 中每個(gè)組件的值，將分析分為三個(gè)部分會(huì)有所幫助：

差分濾波器截止頻率應(yīng)該是多少?

我應(yīng)該選擇多大阻值的濾波電阻器?

我應(yīng)該選擇多大容值的差分和共模電容器?

對(duì)于每個(gè)問(wèn)題，ADS124S08 (24 位、12 通道、4kSPS Δ-Σ ADC)將用作示例數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以幫助說(shuō)明如何將這些設(shè)計(jì)原則付諸實(shí)踐。

差分濾波器截止頻率應(yīng)該是多少?

抗混疊濾波器的目的是將頻率內(nèi)容保持在 ADC 調(diào)制器頻率 (fMOD) 或附近，使其不再混疊回傳通帶，因?yàn)檫@些頻率不會(huì)被數(shù)字濾波器本身拒絕。因此，請(qǐng)?jiān)O(shè)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(dǎo)致 fMOD 周圍出現(xiàn) 20dB 至40dB 的頻率抑制。所需的抑制量取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。如果您想了解有關(guān)抗混疊濾波器基礎(chǔ)知識(shí)的更多信息，以及您應(yīng)該關(guān)注調(diào)制器頻率混疊的原因。

對(duì)于 ADS124S08，fMOD 為 fCLK/16，其中 fCLK 是主時(shí)鐘頻率，如圖 2 所示。給定標(biāo)稱內(nèi)部振蕩器頻率 4.096MHz 后，fMOD = 4.096MHz/16 =256kHz。因此，對(duì)于這個(gè)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(qǐng)確保 fC-DIFF 也大于數(shù)字濾波器的 -3dB 頻率 f3dB，否則 RC 濾波器會(huì)影響數(shù)字濾波器特性。

圖 2：ADS124S08 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)和調(diào)制器時(shí)鐘

我應(yīng)該選擇多大阻值的濾波電阻器?

在圖 1 所示的系統(tǒng)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(duì)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(tǒng)輸入 (VOV) 上看到預(yù)期過(guò)壓條件以及 ADC 集成 ESD 保護(hù)二極管 (VESD) 的接通電壓。然后，您可以使用以下公式來(lái)求解電阻器值 RFILTER：

RFILTER >(VOV – VESD)/IMAX

對(duì)于 ADS124S08，IMAX 為 10mA。如圖 3 所示，當(dāng)輸入電壓超過(guò)模擬電源 300mV 時(shí)，ADS124S08 的ESD 二極管會(huì)導(dǎo)通。

圖 3：ADS124S08 的 ESD 信息

如果您假設(shè) AVDD = 5V，并且預(yù)期的最大過(guò)壓條件 VOV 為 20V，那么您現(xiàn)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(qǐng)注意，在給定系統(tǒng)參數(shù)的情況下，這是電阻器可用于限制進(jìn)入 ADC 引腳的電流的絕對(duì)最小值。妥善做法是在計(jì)算電阻器阻值時(shí)，允許過(guò)壓條件和最大電流有一定的裕量。這可確保提供更強(qiáng)大的保護(hù)電路，以適應(yīng)任何潛在的系統(tǒng)變化。例如、您可以假設(shè) 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(jì)算適當(dāng)?shù)碾娮柚岛螅x擇一個(gè)等于或大于該值的標(biāo)準(zhǔn)電阻器。

我應(yīng)該選擇多大容值的差分和共模電容器?

由于您已經(jīng)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(lái)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(jì)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