工程师博客分享——全能DAQ ADAQ798x,如何实现高噪声输入的有源滤波

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作者:tschmitt,ADI应用工程师

这是本系列的最后一篇文章,我们将概述ADAQ798x的Sallen-Key有源低通滤波器拓扑结构。此配置是一种较为简单的有源滤波实现方案,使得ADAQ798x即使同高噪声输入源和传感器接口,也能发挥最高性能。

Sallen-Key低通滤波器

Sallen-Key拓扑可用来将ADAQ798x的ADC驱动器配置为有源、双极点、低通滤波器。此配置相对简单,因为ADC驱动器设置为简单的同相配置,滤波器不会直接影响其性能和带宽(参见ADI公司线性电路设计手册)。低通滤波器的实现需要两个电阻(R1和R2)及两个电容(C1和C2)以设置滤波器截止频率,另需要两个可选电阻(Rf和Rg)以增加信号增益:

可将该配置看作是一个-40 dB/10倍频程滤波器级联一个增益级:

R1、R2、C1和C2的值决定滤波器的形状和响应。本文将重点讨论R1 = R2且C1 = C2的配置。这一组合导致滤波器的Q因数为0.5,其行为类似于两个等效串联RC低通滤波器。这种情况的频率响应为:

假设R1 = R2 = R且C1 = C2 = C,则滤波器转折频率计算如下:

在转折频率fc,该滤波器的响应比直流增益低大约6 dB。滤波器的直流增益由我们在前面几篇文章中看到的同相增益关系给出:

此配置可降低信号源、传感器或其他模拟前端电路的带外噪声。如果该信号链的这些部分的噪声明显高于ADAQ798x所包括器件的噪声,并且信号带宽小于ADC的奈奎斯特速率,则采用此配置可帮助改善系统噪声性能。来自一个连接到滤波器输入端的信号源的均方根电压噪声(vn rms)为:

其中,ein为输入源的噪声谱密度,AV为ADC驱动器的增益(如上所示),fENBW为滤波器的有效噪声带宽。前提条件是有源滤波器截止频率显著低于ADAQ798x集成RC滤波器的截止频率(几乎总是如此)。上述滤波器的fENBW即为:

所选的滤波器截止频率可以接近为最大限度降低应用噪声而需要的最大输入频率。我们通过一个例子来了解此配置如何改善系统噪声性能。

对于一个输入噪声谱密度为500 nV/√Hz且信号增益为1的系统,截止频率(fc)须为多少才能确保输入源对系统的噪声贡献不超过100 μV rms?求解上面公式中的fc得到:

使用R1 = R2 = 1.2 kΩ且C1 = C2 = 2.7 nF可实现接近此要求的滤波器截止频率(~49 kHz)。

结语

本文讨论了一个采用ADAQ798x集成ADC驱动器的简单有源双极点低通滤波器实施方案。这是利用ADAQ798x实现有源滤波的许多潜在配置中的一种。

将有源滤波与过采样和抽取结合,可进一步改善系统噪声性能。过采样和抽取是数字滤波的一种形式,通过将一定数量的连续样本平均来降低带外噪声,不过信号带宽会有损失(更多信息参见技术文章《利用过采样增加SAR ADC 的动态范围》)。

设计有源滤波器时,必须注意滤波器通带的平坦度。许多滤波器在通带会表现出一些偏差,尤其是当它们在某一频率引起谐振或峰化时。确定和设计有源滤波器拓扑结构时,应注意应用在目标带宽上的增益平坦度要求。

再次感谢关注本系列关于ADAQ798x集成ADC驱动器备选配置的最后一篇博客。希望大家有所收获,在应用中充分发挥该器件的灵活模拟前端的优势!

主图: