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集成电路设计抗混叠滤波器


混叠是数字摄影中的一种众所周知的现象,但它也出现在模数转换中。在进行集成电路设计发生混叠时,你要采样的信号似乎具有恒定的电平,即,你无法观察到振荡。当采样周期等于振荡周期时,会发生这种情况,并且采样设备只会可靠地测量固定信号。根据模拟信号的谐波含量和系统速度,可以通过几种方式解决此问题。
抗混叠滤波器设计要点
抗混叠滤波器实际上是放置在模数转换器(ADC)的输入上的低通滤波器。理论上,任何类型的具有单位增益的有源低通滤波器都可以用作抗混叠滤波器。任何抗混叠滤波器设计都旨在从要采样的信号中去除高频成分,以防止混叠。这样,抗混叠滤波器设计的目标是将滤波器的-3 dB截止频率设置为等于采样频率的一半。
对具有特定中心频率的模拟信号进行采样时,如果采样频率小于中心频率的两倍,则会发生混叠。换句话说,如果信号的中心频率大于采样频率的一半,则将发生混叠,ADC将错误地检测到低混叠频率信号,而不是检测输入的高频信号的所需中心频率。在发生混叠的情况下,ADC将输出一系列数字脉冲,这些数字脉冲将对频率等于采样率与中心频率之差的信号进行量化。系统可以防止混叠的特定采样频率称为奈奎斯特频率。
下图显示了检测到的信号的精度与采样率之间的关系。只要你的采样率足够高(超过信号频率的两倍),你就可以始终以高精度检测信号。只要不增加噪声水平,量化就会变得更加准确。这里的权衡是ADC使用更多的功率,因此产生更多的热量。随着采样率的增加,信号采样的准确性。
正弦与任意模拟信号
如果要采样理想的正弦波,则抗混叠滤波器的唯一工作就是消除噪声。你实际上是在尝试对单个正弦频率进行采样,并且只需要将采样率设置为至少是信号频率的两倍即可。此时,你的主要考虑因素应该是使用具有正确分辨率的设备并消除噪声,以防止量化误差。
如果你正在处理任意模拟信号,例如用于光纤无线电的RF脉冲或用于激光驱动器电路的电压脉冲,则你的应用程序可能需要对信号进行采样,作为反馈环路或信号调节环路的一部分。任意信号都包含谐波分量,这些谐波分量会散布在很宽的频谱上,并且频率成分可能会超过奈奎斯特频率。这意味着你尝试在奈奎斯特频率以上采样的任何频率内容都会引起混叠。输入信号量化后,数字输出将反映原始输入的失真形式。
下图说明了采样和混叠的问题。该图显示了任意信号的频谱(红色曲线)。请注意,采样率(fs)设置为高于频谱末尾。但是,奈奎斯特频率(采样率的一半)落在频谱的中间。低于奈奎斯特频率的任何频率分量都可以被精确采样,而所有更高阶的频率将被混叠,并被ADC错误地解释为低频分量。
有两个选择可防止数字化输出无法准确反映输入模拟信号:
1、增加采样率,以使奈奎斯特频率大于频谱的结尾。由于任意信号的频率内容都延伸到无穷大,因此你无法将采样率提高到无穷大。另一个选项是选择需要采样的合适的最大频率。
2、你应该使用抗混叠滤波器来删除所有大于奈奎斯特频率的频率成分。
第二点应说明抗混叠滤波器的优点。抗混叠滤波器只是将截止频率(即-3 dB频率)设置为奈奎斯特频率的低通滤波器。该滤波器会滤除输入信号中的任何更高阶频率内容,因为会混叠任何高于奈奎斯特频率的频率。通过从信号中去除这些频率,ADC现在可以采样剩余的谐波含量,而不会产生虚假的低频误差。
集成电路设计用于ADC的抗混叠滤波器
抗混叠滤波器通常设计为使用低噪声运算放大器的高阶有源滤波器。目的是设计一个在通带内具有统一增益的滤波器,并将-3 dB截止频率设置为精确等于奈奎斯特频率,而奈奎斯特频率又是预期采样率的一半。如果你使用的是可调ADC,则始终将-3 dB截止设置为与奈奎斯特频率相对应,以获得你打算在系统中使用的最小采样频率。
抗混叠滤波器的设计主要是针对有源滤波器的传递函数进行设计。这就像选择宽带运算放大器并将低通RC滤波器连接到同相输入一样简单。稍微高级一点的集成电路设计是使用更高阶的滤波,因为它将在Bode图中的-3 dB点之外提供更强的滚降。
如果你的信号链具有较高的本底噪声,则可以始终提高采样率以将噪声扩展到更大的带宽,然后将信号通过具有所需截止频率的抗混叠滤波器。这是使用ADC和抗混叠滤波器处理噪声信号的一种方法。
这也使你可以使用具有较低截止频率的抗混叠滤波器以及具有可调采样率的ADC。如果本底噪声过高,则可以提高采样率,同时将截止频率保持在原始值。噪声在更宽的带宽上的扩散降低了传播到ADC输出的噪声电平,从而降低了量化误差并允许使用更高的分辨率。
2021-03-11
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