數模轉換（ADC）的應用筆記

智能時代，數字信號已體現在我們生活的方方面面，A/D,D/A是重要的基礎。智能手機觸摸信號需要轉換為數字信號才能分辨觸摸位置、數字去抖；打電話或者麥克風需要將模擬聲信號轉換為數字信號以便存儲回放、語音識別；移動通信到4G時代，速率已經達到了300Mbps，手機和基站之間的通信是模擬電磁信號，同樣需要高性能的ADC將其轉化為數字信號，才能變成各位看到的電影、微博（當然沒這么簡單）。上述三個例子是典型的三種應用場景，對應ADC的不同指標。其中速度（采樣率）和精度（bit位）是選取ADC的基礎指標。各種監測可能需要實時性不高，能轉換就行了；大部分醫療電子可能要求精度高，動態高，能分辨大信號下隱藏的小信號，同時速度較快；對于移動通信，您可能要求速度快，同時信號好，那對速度和精度就都有要求了，速度可能幾百Msps，精度可能12、14位；更高大上的，針對衛星通訊、軟件無線電（SDR），帶寬可達數GHz，同時靈敏度要求更高，這種ADC就是核心科技了，只有為數不多的幾家美國廠商掌握。

關鍵詞：ADC? SDR 抗混疊濾波器無線通訊 高精度采樣

??????本文主要介紹ADC的模擬前端匹配技術，并分享筆者的幾個設計作業，隨著認識的不斷深入，也會不斷更新。關于ADC的互連、中頻方案選擇等在系列文檔中細說。

ADC的前端匹配其實是抗混疊濾波器（anti-aliasing filter）的設計問題，為什么叫抗混疊濾波器，那得從ADC的采樣原理說起。ADC的采樣遵循Nyquist定理，假設被采樣信號的最高頻率為Fh，則要使在數字域能完全恢復該信號的最小采樣頻率為2*Fh；另外還有一個Nyquist帶通采樣原理，也稱為欠采樣。即對于帶通信號而言，如TDD-LTE的2575MHz—2615MHz，通帶50M，需要最小的采樣頻率為2*BW(50M) = 100Msps。

Fig 1 Nyquist采樣混疊原理

??????在Fig1中，fa為被采樣信號，I為其采樣后的鏡像，fs為采樣頻率。0.5fs為一個nyqusit區。Fig1中上圖表示選擇信號中頻在1st Nyquist區，那么這個信號會在其他高階Nyquist區有鏡像信號；下圖表示選擇感興趣的信號在2nd Nyquist區，采樣后，會鏡像到1st Nyquist區和其他高階Nyquist區。同理，在ADC采樣時，非感興趣Nyquist區的噪聲信號都會鏡像到1st Nyquist區，而1st Nyquist區正式數字域中頻處理需要信號。為了抑制噪聲，需要在ADC前端加入低通（1st）或者帶通(upper)濾波器，該濾波器也稱為抗混疊濾波器。

??????ADC的硬件系統一般都是數模混合系統，板級噪聲較復雜，采用差分模擬輸入能有效提高共模噪聲抑制比。對幾十MHz以下的模擬信號一般是直接采樣，如醫療中的超聲、生物阻抗測量等。這種模擬信號需要將單端轉為差分，采用運放可以方便的轉換，同時保證ADC需要的偏置電壓，如fig2。但要注意運放的直流匹配、共模偏置電壓、壓擺率、CMRR、頻率等參數，這部分有專門的應用筆記可以參考。轉為差分信號后，再設計需要的匹配濾波器，與ADC對接，下面會講到。對于采用1st Nyquist Zone的使用場景，還可以用放大器本身來完成低通濾波。比較典型的有源濾波器是sallen-key結構。

Fig2利用運放實現單端轉差分

??????無線通信的頻率較高，經常使用變頻器（解調器）+AGC+匹配濾波+ADC的架構。存在變頻器，如果采用非零中頻設計，必然在射頻有鏡頻抑制要求。為了降低鏡頻抑制濾波器的設計難度，結合混頻雜散分析，一般采用較高的中頻，多在5fs/4或者更高。在這種場景下，匹配濾波器為帶通濾波器，設計復雜度要高的多。下變頻器直接為差分中頻輸出，ADC也是差分輸入，濾波器需要考慮的是阻抗匹配。變頻器如AD5801的輸出阻抗為200ohm，如果采用4：1的transformer，輸出阻抗為50ohm。當然也可以直接采用1:1的transformer，輸出阻抗為200ohm。如果采用中頻放大器，可根據放大器的直流負載特性，選擇合適的負載阻抗，如fig3所示源阻抗為70ohm。ADC的輸入阻抗一般較大，如AD9248的輸入阻抗為7kohm，輸入電容7pF；AD9230的輸入阻抗4.3kohm，4pF。如此大的輸入阻抗對濾波器來說是極難匹配的，一般在ADC的輸入并聯電阻到地，使得總輸入電阻為幾百ohm，作為匹配濾波器的負載電阻。

Fig3抗混疊濾波器阻抗匹配示意圖

??根據輸入阻抗、負載阻抗、ADC的采樣率、其他NyquistZone的抑制要求，即可確定濾波器的詳細參數。本人習慣采用射頻設計軟件ADS來仿真濾波器，最好采用murata的電容模型，采用coilcraft的繞線電感模型。如果想一步仿真成功，上板免調試，將PCB布板模型等寄生參數帶入ADS進行仿真，比較精確，但實現過程比較復雜。考慮到電容等器件的精度，電容值不能太小，電感值也不要太大。還有一個問題，設計濾波器的負載阻抗是采用純電阻模型，沒有考慮ADC的輸入電容，可以將濾波器仿真出來的最后一個并聯電容C1減去ADC的輸入電容，作為最后的電容值。考慮到對共模干擾的抑制，可以將C1改為兩個到地電容，其值為2(C1-Cadc)。

??在ADC輸入還需要考慮到模擬信號的共模電平Vcom，Vpp。為了達到ADC的最大SNR，輸入信號盡量能達到滿功率（高峰均比需要回退），有的ADC提供片內偏置，有的ADC需要外部偏置。Vpp影響ADC的動態范圍，注意前端放大器的壓擺率與Vpp匹配，并留一定余量。

參考資料Analog Devices application note cn-0238

轉載于:https://www.cnblogs.com/liuzhenbo/p/8029245.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ADC应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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