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噪聲輸入的有源濾波(ADAQ7980)

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-06-30 09:42 ? 次閱讀

我們將在本系列的最后概述ADAQ798x的Sallen-Key有源低通濾波器拓撲。這種配置是更簡單的有源濾波實現方案之一,即使與噪聲輸入源和傳感器接口,ADAQ798x也能最大限度地提高性能。

薩倫鍵低通濾波器

Sallen-Key拓撲可用于將ADAQ798x的ADC驅動器配置為有源雙極點低通濾波器。這種配置相對簡單,因為ADC驅動器設置在簡單的同相配置中,因此濾波器不會直接影響其性能和帶寬。低通濾波器的實現需要兩個電阻(R1和 R2) 和兩個電容器 (C1和 C2) 設置濾波器截止值,并可選擇兩個電阻 (Rf和 Rg) 要添加信號增益:

wKgaomSeODOAEuptAAI2hKggn9E950.png

該配置可以認為是級聯一個-40 dB/十倍頻程濾波器,后接一個增益級:

wKgZomSeODiARlVEAAExNjteZ4g123.png

R 的值1/ 12, C1和 C2確定濾波器的形狀和響應。在這篇博文中,我們將重點介紹 R1= R2和 C1= C2.這種組合使濾波器的Q因數為0.5,其行為類似于串聯的兩個等效RC低通濾波器。這種情況的頻率響應為:

wKgaomSeOD2ABTzaAAFUEb4Dsr4171.png

假設 R1= R2= R 和 C1= C2= C,濾波器轉折頻率由下式給出:

wKgZomSeOEKALrlOAAARHLZkXTw101.png

在轉角頻率 fc,濾波器的響應與其直流增益大致為-6 dB。濾波器的直流增益由我們在之前的文章中看到的同相增益關系給出:

wKgaomSeOEeAUIpMAAAJhqz2gLw789.png

這種配置可以減少來自信號源、傳感器或其他模擬前端電路的帶外噪聲。如果信號鏈的這些部分的噪聲明顯高于ADAQ798x中包含的元件,并且信號帶寬與ADC的奈奎斯特速率相比較小,則使用此配置有助于改善系統噪聲性能。來自連接到濾波器輸入的源的均方根電壓噪聲(vn 有效值) 是:

wKgZomSeOE2AIT9lAAAO8JrqL44129.png

其中 e在是來自輸入源的噪聲頻譜密度,A在是ADC驅動器的增益(如上所示),f恩博威是濾波器的有效噪聲帶寬。這假設有源濾波器截止頻率明顯低于ADAQ798x的集成RC濾波器(幾乎總是如此)。f恩博威對于上述過濾器,只需:

wKgZomSeOFKAfi9qAAAKkX9_vGs219.png

濾波器截止頻率可在應用所需的最大輸入頻率附近選擇,以最大限度地降低噪聲。讓我們看一個示例,看看此配置如何提高系統噪聲性能。

對于輸入噪聲頻譜密度為500 nV/√Hz、信號增益為1的系統,截止頻率(fc) 需要確保輸入源對系統的貢獻不超過 100 μV rms ?求解 fc在上面使用的等式中給出:

wKgaomSeOFmARqxEAAA4dNrudyo378.png

使用 R1= R2= 1.2 kΩ 和 C1= C2= 2.7 nF可用于實現接近此值(~49 kHz)的濾波器截止值。

結語

今天,我們了解了使用ADAQ2x集成ADC驅動器的有源798極點低通濾波器的簡單實現。這是可用于利用ADAQ798x實現有源濾波的眾多潛在配置之一。

通過將有源濾波與過采樣和抽取相結合,可以進一步改善系統噪聲性能。過采樣和抽取是數字濾波的一種形式,其中將一定數量的連續采樣平均在一起,以減少帶外噪聲,但犧牲信號帶寬(有關更多信息,請參閱本文)。

設計有源濾波器時要記住的一件事是濾波器通帶的平坦度。許多濾波器在通帶中表現出一些偏差,特別是當它們導致諧振或峰值在某個頻率下時。在決定和設計有源濾波器拓撲時,請注意應用在目標帶寬內所需的增益平坦度。

審核編輯:郭婷

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