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技術(shù)專題
集成電路設(shè)計(jì)抗混疊濾波器
混疊是數(shù)字?jǐn)z影中的一種眾所周知的現(xiàn)象，但它也出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換中。在進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)發(fā)生混疊時(shí)，你要采樣的信號(hào)似乎具有恒定的電平，即，你無(wú)法觀察到振蕩。當(dāng)采樣周期等于振蕩周期時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況，并且采樣設(shè)備只會(huì)可靠地測(cè)量固定信號(hào)。根據(jù)模擬信號(hào)的諧波含量和系統(tǒng)速度，可以通過幾種方式解決此問題。
抗混疊濾波器設(shè)計(jì)要點(diǎn)
抗混疊濾波器實(shí)際上是放置在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入上的低通濾波器。理論上，任何類型的具有單位增益的有源低通濾波器都可以用作抗混疊濾波器。任何抗混疊濾波器設(shè)計(jì)都旨在從要采樣的信號(hào)中去除高頻成分，以防止混疊。這樣，抗混疊濾波器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將濾波器的-3 dB截止頻率設(shè)置為等于采樣頻率的一半。
對(duì)具有特定中心頻率的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，如果采樣頻率小于中心頻率的兩倍，則會(huì)發(fā)生混疊。換句話說，如果信號(hào)的中心頻率大于采樣頻率的一半，則將發(fā)生混疊，ADC將錯(cuò)誤地檢測(cè)到低混疊頻率信號(hào)，而不是檢測(cè)輸入的高頻信號(hào)的所需中心頻率。在發(fā)生混疊的情況下，ADC將輸出一系列數(shù)字脈沖，這些數(shù)字脈沖將對(duì)頻率等于采樣率與中心頻率之差的信號(hào)進(jìn)行量化。系統(tǒng)可以防止混疊的特定采樣頻率稱為奈奎斯特頻率。
下圖顯示了檢測(cè)到的信號(hào)的精度與采樣率之間的關(guān)系。只要你的采樣率足夠高（超過信號(hào)頻率的兩倍），你就可以始終以高精度檢測(cè)信號(hào)。只要不增加噪聲水平，量化就會(huì)變得更加準(zhǔn)確。這里的權(quán)衡是ADC使用更多的功率，因此產(chǎn)生更多的熱量。隨著采樣率的增加，信號(hào)采樣的準(zhǔn)確性。
正弦與任意模擬信號(hào)
如果要采樣理想的正弦波，則抗混疊濾波器的唯一工作就是消除噪聲。你實(shí)際上是在嘗試對(duì)單個(gè)正弦頻率進(jìn)行采樣，并且只需要將采樣率設(shè)置為至少是信號(hào)頻率的兩倍即可。此時(shí)，你的主要考慮因素應(yīng)該是使用具有正確分辨率的設(shè)備并消除噪聲，以防止量化誤差。
如果你正在處理任意模擬信號(hào)，例如用于光纖無(wú)線電的RF脈沖或用于激光驅(qū)動(dòng)器電路的電壓脈沖，則你的應(yīng)用程序可能需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，作為反饋環(huán)路或信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)路的一部分。任意信號(hào)都包含諧波分量，這些諧波分量會(huì)散布在很寬的頻譜上，并且頻率成分可能會(huì)超過奈奎斯特頻率。這意味著你嘗試在奈奎斯特頻率以上采樣的任何頻率內(nèi)容都會(huì)引起混疊。輸入信號(hào)量化后，數(shù)字輸出將反映原始輸入的失真形式。
下圖說明了采樣和混疊的問題。該圖顯示了任意信號(hào)的頻譜（紅色曲線）。請(qǐng)注意，采樣率（fs）設(shè)置為高于頻譜末尾。但是，奈奎斯特頻率（采樣率的一半）落在頻譜的中間。低于奈奎斯特頻率的任何頻率分量都可以被精確采樣，而所有更高階的頻率將被混疊，并被ADC錯(cuò)誤地解釋為低頻分量。
有兩個(gè)選擇可防止數(shù)字化輸出無(wú)法準(zhǔn)確反映輸入模擬信號(hào)：
1、增加采樣率，以使奈奎斯特頻率大于頻譜的結(jié)尾。由于任意信號(hào)的頻率內(nèi)容都延伸到無(wú)窮大，因此你無(wú)法將采樣率提高到無(wú)窮大。另一個(gè)選項(xiàng)是選擇需要采樣的合適的最大頻率。
2、你應(yīng)該使用抗混疊濾波器來(lái)刪除所有大于奈奎斯特頻率的頻率成分。
第二點(diǎn)應(yīng)說明抗混疊濾波器的優(yōu)點(diǎn)?？够殳B濾波器只是將截止頻率（即-3 dB頻率）設(shè)置為奈奎斯特頻率的低通濾波器。該濾波器會(huì)濾除輸入信號(hào)中的任何更高階頻率內(nèi)容，因?yàn)闀?huì)混疊任何高于奈奎斯特頻率的頻率。通過從信號(hào)中去除這些頻率，ADC現(xiàn)在可以采樣剩余的諧波含量，而不會(huì)產(chǎn)生虛假的低頻誤差。
集成電路設(shè)計(jì)用于ADC的抗混疊濾波器
抗混疊濾波器通常設(shè)計(jì)為使用低噪聲運(yùn)算放大器的高階有源濾波器。目的是設(shè)計(jì)一個(gè)在通帶內(nèi)具有統(tǒng)一增益的濾波器，并將-3 dB截止頻率設(shè)置為精確等于奈奎斯特頻率，而奈奎斯特頻率又是預(yù)期采樣率的一半。如果你使用的是可調(diào)ADC，則始終將-3 dB截止設(shè)置為與奈奎斯特頻率相對(duì)應(yīng)，以獲得你打算在系統(tǒng)中使用的最小采樣頻率。
抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)有源濾波器的傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就像選擇寬帶運(yùn)算放大器并將低通RC濾波器連接到同相輸入一樣簡(jiǎn)單。稍微高級(jí)一點(diǎn)的集成電路設(shè)計(jì)是使用更高階的濾波，因?yàn)樗鼘⒃?span lang="EN-US">Bode圖中的-3 dB點(diǎn)之外提供更強(qiáng)的滾降。
如果你的信號(hào)鏈具有較高的本底噪聲，則可以始終提高采樣率以將噪聲擴(kuò)展到更大的帶寬，然后將信號(hào)通過具有所需截止頻率的抗混疊濾波器。這是使用ADC和抗混疊濾波器處理噪聲信號(hào)的一種方法。
這也使你可以使用具有較低截止頻率的抗混疊濾波器以及具有可調(diào)采樣率的ADC。如果本底噪聲過高，則可以提高采樣率，同時(shí)將截止頻率保持在原始值。噪聲在更寬的帶寬上的擴(kuò)散降低了傳播到ADC輸出的噪聲電平，從而降低了量化誤差并允許使用更高的分辨率。
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