1.前言
濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都起著重要作用，因?yàn)橄肼暫褪д鏁?huì)增加信道容量。設(shè)計(jì)一個(gè)僅通過所需頻率的濾波器相當(dāng)容易。然而，在實(shí)際的物理濾波器實(shí)現(xiàn)中，通過濾波器會(huì)損失所需的信號(hào)功率。這種信號(hào)損失對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 噪聲系數(shù)的影響分貝。
更糟糕的是，驅(qū)動(dòng) ADC 的放大器將在濾波器損耗的倍數(shù)處產(chǎn)生失真。例如，如果濾波器有 7dB 的損耗，放大器需要將信號(hào)驅(qū)動(dòng) 7dB。這將導(dǎo)致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB；三階產(chǎn)品會(huì)差14dB。其中一些失真產(chǎn)物（尤其是互調(diào)）無法濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。
圖 1：典型信號(hào)鏈
選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。最小帶寬、吞吐速率和輸入頻率之間的這種關(guān)系說明：輸入頻率越高，則要求RC帶寬越高。同樣，吞吐速率越高，則采集時(shí)間越短，從而提高RC帶寬。采集時(shí)間對(duì)所需帶寬的影響最大；如果采集時(shí)間加倍（降低吞吐速率），所需帶寬將減半。表 1 顯示了一些 ADC，以及它們的輸入規(guī)格和對(duì) ADC 和典型 2Vpp 放大器輸出信號(hào)之間可接受損耗量的估計(jì)。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個(gè)任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓?fù)洹?nbsp;
表1 ：ADC 輸入?yún)?shù)
2.過濾器損耗的來源
有兩種類型的濾波器損耗：與濾波器組件直接相關(guān)的損耗和與將濾波器集成到系統(tǒng)中相關(guān)的損耗。濾波器元件的損耗幾乎都是由寄生電阻造成的。為了減少元件損耗，請(qǐng)盡量減少濾波器元件的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。
雖然濾波器組件在理想情況下沒有損耗，但與將濾波器集成到系統(tǒng)中相關(guān)的損耗更為復(fù)雜。濾波器設(shè)計(jì)為具有輸入和輸出阻抗，這通常需要電阻器來提供寬帶阻抗匹配，如圖 1 所示。這些匹配電阻器對(duì)系統(tǒng)電壓增益的損耗為 6dB。
參考測(cè)量是另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。雖然 RF 系統(tǒng)通常圍繞功率水平設(shè)計(jì)，但幾乎 100% 的可用 ADC 采樣電壓而不是功率。出于這個(gè)原因，ADC 驅(qū)動(dòng)放大器和 ADC 之間的損耗通常以分貝伏特而不是分貝功率來指定。這可能會(huì)令人困惑，但很重要——因?yàn)?ADC 測(cè)量中顯示的是電壓損失。請(qǐng)注意，功率損失 3dB 相當(dāng)于電壓損失 6dB。
4.阻抗變換
因?yàn)?ADC 采樣電壓而不是功率，所以有機(jī)會(huì)將濾波器用作電壓增益電路。這是可能的，因?yàn)殡妷汉妥杩古c給定的功率水平成正比。在建立ADC輸入和通過優(yōu)化帶寬限制噪聲時(shí)所需的最小RC值，可以由假設(shè)通過指數(shù)方式建立階躍輸入來計(jì)算。要計(jì)算階躍大小，需要知道輸入信號(hào)頻率、幅度和ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間。查看表 1，該方法適用于我們的 16 位、1-GSPS、雙通道 ADS54J60 和 16 位、370-MSPS、雙通道 ADC16DX370。
圖 2：具有不同阻抗比的濾波器
圖 3：不同阻抗比的濾波器響應(yīng)
5.降低濾波器的驅(qū)動(dòng)阻抗
如果 ADC 的差分輸入阻抗低于 200Ω，增加濾波器的端接電阻將不起作用。相反，嘗試降低進(jìn)入濾波器的驅(qū)動(dòng)阻抗，如圖 4 所示。再次查看表 1，該方法適用于 ADC16DX370 或 ADC12J4000。
在圖 4 所示的第二個(gè)電路中，從圖 1 中移除 40Ω 電阻會(huì)降低驅(qū)動(dòng)阻抗，從而留下放大器的 10Ω 內(nèi)部電阻作為驅(qū)動(dòng)阻抗。這會(huì)降低濾波器損耗，但會(huì)影響濾波器頻率響應(yīng)。圖 5 具有正確端接和不匹配濾波器響應(yīng)的頻率響應(yīng)圖。
使用低通濾波器，我們可以調(diào)整濾波器轉(zhuǎn)角頻率以恢復(fù)丟失的帶寬，但使用帶通濾波器則更加困難。通帶平坦度和鄰道抑制都會(huì)因驅(qū)動(dòng)阻抗不當(dāng)而受到影響。
圖 4：具有不同驅(qū)動(dòng)阻抗的濾波器
圖 5：不同驅(qū)動(dòng)阻抗的結(jié)果
6.結(jié)論
降低濾波器電抗組件的 ESR 損耗并調(diào)整其驅(qū)動(dòng)和端接阻抗有助于在驅(qū)動(dòng) ADC 時(shí)管理信號(hào)損失。ADC 的輸入阻抗限制了濾波器的端接阻抗，因此仔細(xì)選擇 ADC 至關(guān)重要。
