图1 放大器驱动无源抗混叠滤波器
无源抗混叠滤波器的设计中,考虑最差的情况,假设ADC前后两次转换之间,模拟量的输入值相差(即加到C2上的电压值)最大为5V。为保证C1对C2的分压小于1LSB=5/212,假设要求C1=aC2,这样C1对C2的分压为UC1=1/aUC2,UC2最大为5V,由C1分压所造成的误差最大为UC1=5/a,令5/a<5/212=1LSB,即a>212,C1>4096C2。在实际应用时,由于采样频率往往高于信号中的最高频率数倍(>2)以上和高频信号频率往往幅值较低,对电容C1的要求C1>212C2可以适当的放宽。为保证测量的可信度,后面都同上考察最差情况,实际应用中可适当放宽要求。
在ADuC841中的电容C2的值为32pF,C1≥4096C2=131072pF,取标称值C1=0.22mF。
现有的运算放大器对容性负载的驱动能力有限,当R较小C1值较大时,运放驱动大容性负载时可能会产生振荡。AD8024是一种四元组350MHz、24V的放大器,据其数据手册称可驱动高电容性负载,其最大也可以驱动1000pF的容性负载。可见,运放驱动能力限制了无源抗混叠滤波器的应用,尤其在高精度数据采集系统中。这在实际应用中应该引起注意。
有源抗混叠滤波器的驱动
图2为有源抗混叠滤波器中的运放驱动ADC的简单示意图。有源抗混叠滤波器中的运放作为驱动放大器,必须提供足够的输出电流以驱动ADC输入;其带宽应该接近采样频率的两倍;运放建立时间应与ADC采样时间相匹配。下面就这几个方面讨论有源抗混叠滤波电路中的驱动放大器与ADC的匹配问题。
图2 有源滤波器中的放大器驱动ADC
运放的驱动能力
运放的驱动能力主要是指,运放能否满足采样保持电路在采样瞬时对充电电流的要求。当采样保持电路处于采样阶段时,开关K闭合,相当于一个阶跃信号通过电阻R对电容C2(当然这里仍存在着C1的干扰)进行充电。为了保证可信度,假设前一次采样值与本次采样值之差为最大值,即5V(ADuC841的电源电压)。也就是相当于一个5V的阶跃信号给C2充电。充电开始的瞬时充电电流最大,最大值Imax=5/R。运放应该满足峰值输出电流Iout≥Imax时的驱动能力要求。ADuC841中的R约200W,Imax=5/R=5V/200W=0.025A=25mA。显然,这个条件不难达到,但仍然有很多低功耗的CMOS运算放大器或放大器的驱动能力远低于该要求。
运放的单位增益带宽
单位增益带宽是一个很重要的指标,正弦小信号放大时的重要参数。运放的增益越高,带宽越窄,增益带宽积为常数,即AVBW=常数。因此运算放大器在给定电压增益下,其最高工作频率受到增益带宽积的限制。放大倍数等于1时的带宽称为单位增益带宽。