集成電(diàn)路设计抗混叠滤波器

2020-03-24

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。在进行集成電(diàn)路设计发生混叠时，你要采样的信号似乎具有(yǒu)恒定的電(diàn)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(kě)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(kě)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(lǐ)论上，任何类型的具有(yǒu)单位增益的有(yǒu)源低通滤波器都可(kě)以用(yòng)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(fēn)，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截止频率设置為(wèi)等于采样频率的一半。

对具有(yǒu)特定中心频率的模拟信号进行采样时，如果采样频率小(xiǎo)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(kě)以防止混叠的特定采样频率称為(wèi)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(kě)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(yòng)更多(duō)的功率，因此产生更多(duō)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(lǐ)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為(wèi)至少是信号频率的两倍即可(kě)。此时，你的主要考虑因素应该是使用(yòng)具有(yǒu)正确分(fēn)辨率的设备并消除噪声，以防止量化误差。

如果你正在处理(lǐ)任意模拟信号，例如用(yòng)于光纤无線(xiàn)電(diàn)的RF脉冲或用(yòng)于激光驱动器電(diàn)路的電(diàn)压脉冲，则你的应用(yòng)程序可(kě)能(néng)需要对信号进行采样，作為(wèi)反馈环路或信号调节环路的一部分(fēn)。任意信号都包含谐波分(fēn)量，这些谐波分(fēn)量会散布在很(hěn)宽的频谱上，并且频率成分(fēn)可(kě)能(néng)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（红色曲線(xiàn)）。请注意，采样率（fs）设置為(wèi)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(fēn)量都可(kě)以被精确采样，而所有(yǒu)更高阶的频率将被混叠，并被ADC错误地解释為(wèi)低频分(fēn)量。

有(yǒu)两个选择可(kě)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(yòng)抗混叠滤波器来删除所有(yǒu)大于奈奎斯特频率的频率成分(fēn)。

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）设置為(wèi)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，因為(wèi)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(kě)以采样剩余的谐波含量，而不会产生虚假的低频误差。

集成電(diàn)路设计用(yòng)于ADC的抗混叠滤波器

抗混叠滤波器通常设计為(wèi)使用(yòng)低噪声运算放大器的高阶有(yǒu)源滤波器。目的是设计一个在通带内具有(yǒu)统一增益的滤波器，并将-3 dB截止频率设置為(wèi)精确等于奈奎斯特频率，而奈奎斯特频率又(yòu)是预期采样率的一半。如果你使用(yòng)的是可(kě)调ADC，则始终将-3 dB截止设置為(wèi)与奈奎斯特频率相对应，以获得你打算在系统中使用(yòng)的最小(xiǎo)采样频率。

抗混叠滤波器的设计主要是针对有(yǒu)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電(diàn)路设计是使用(yòng)更高阶的滤波，因為(wèi)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(yǒu)较高的本底噪声，则可(kě)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(yǒu)所需截止频率的抗混叠滤波器。这是使用(yòng)ADC和抗混叠滤波器处理(lǐ)噪声信号的一种方法。

这也使你可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)较低截止频率的抗混叠滤波器以及具有(yǒu)可(kě)调采样率的ADC。如果本底噪声过高，则可(kě)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输出的噪声電(diàn)平，从而降低了量化误差并允许使用(yòng)更高的分(fēn)辨率。

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