浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC抗混叠模拟前端设计

Sigma-Delta ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构。本身自带的数字滤波器可以起到一定的抗混叠作用,但是自带的数字滤波器不能完全避免频率混叠,依旧需要外围电路(滤波器)来辅助。

什么是Delta-Sigma ADC?请参考下面文章:
浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC调制原理

什么是频率混叠?请看下面帖子:
浅谈模数转换器ADC频率混叠

:one: 噪声与频率混叠

如下图,在频域范围内,蓝色是我们想要采集的信号频率,绿色和红色都是我们不希望的噪声信号频率。


图 1 频域中的目标信号与噪声信号 (图片来源于TI)

一般Delta-Sigma ADC会自带数字滤波。理论上讲,数字滤波器可以滤除截止频率到fs/2内的噪声。如下图灰色部分的频率,将会被数字滤波器滤除。因此,图中绿色部分的噪声信号将被滤除。

根据奈奎斯特采样定律,任何大于fs/2的频率信号将会镜像折叠到0到fs/2的频率范围内。如下图红色部分的噪声会避开数字滤波器,折叠到信号频率附近。


图 2 设计数字滤波,滤除不希望的噪声信号 (图片来源于TI)

所以,还要在实际电路中,我们还需要一个外部模拟防混叠滤波器(比如简单的RC滤波器)。如下图红色部分的频率,将会被外部模拟滤波器滤除。当模拟滤波器截止频率=采样频率fs减去数字滤波器截止频率时,那么后面红色部分的噪音信号也会被滤除。


图 3设计外部模拟防混叠滤波器,滤除不希望的噪声信号 (图片来源于TI)

经过数字滤波和模拟滤波双重过滤,在检测范围内,只剩下我们要的目标信号。

对于Delta Sigma ADC抗混叠设计,我们需要把外部模拟滤波器的设计与Delta Sigma ADC自带数字滤波器一起考虑。Digi-Key Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC

:two: Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC 抗混叠模拟前端设计

真正考虑Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC抗混叠模拟前端设计的时候,我们不仅要考虑滤波器带宽的问题,还要考虑实际电路中的各种噪声,以及噪声源的特性。比如共模噪声,差模噪声等。

:black_small_square: 滤除共模噪声与差模噪声

如下图,每根差分线上我们都会有一个一摸一样的RC滤波器结构,用来滤除共模噪声的干扰。


图 4 滤除共模噪声与差模噪声 (图片来源于TI)

两个差分线不可能完全一致,电容电阻会有微小的差异,从而引入差模噪声。为了解决这个差模干扰,我们一般会在两路差分信号中跨接一个电容Cdiff。一般Cdiff的容值时Ccm的10倍以上,来降低差模噪声。

:black_small_square: 差分输入Delta-Sigma ADC,抗混叠滤波器如何设计?

低速 Δ-Σ ADC 通常需要一个简单的单极 RC 滤波器来减少混叠效应。对于差分信号,滤波器结构通常由两个滤波路径组成:一个差分滤波器(源自两个滤波器电阻 RFILTER 和差分电容器 Cdiff 的组合);和一个共模滤波器(源自一个滤波器电阻 RFILTER 和共模电容器 Ccm的组合)

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图 5:Delta-Sigma ADC 的抗混叠滤波器结构

[注意:如果您有一个单端输入,其中 AINN 是接地参考,则滤波器将由 RFILTER 和 Ccm 组成。但是,设计指南将与下面描述的 差分 滤波器的设计指南相同。]

为了确定上图中每个组件的值,将分析分为三个部分会有所帮助:

  • 差分滤波器截止频率应该是多少?
  • 我应该选择多大阻值的滤波电阻器?
  • 我应该选择多大容值的差分和共模电容器?
    这里不多展开,可以查看下面这篇帖子: