Data Exchange'de Gürültü-Shaping Filtrelerine Giriş

Modern veri dönüştürme sistemleri olağanüstü sinyal bütünlüğü talep eder, özellikle hassas araçlama, ses işleme ve yüksek hızlı iletişim. Gürültü - hem analog ön uçtan hem de ölçüm sürecinden bağımsız olarak - bu filtreleri uygulama için bina blokları sağlar, ya da sürekli zaman mimarileri.Bu makale, sinyal-bozma oranını (SNR) kullanarak kapsamlı bir devre tasarlayarak, amplifikatör seçimi, temel bilgileri kullanarak, temel bilgileri kullanarak, temel bilgileri kullanarak, temel bilgileri kullanarak uygulamadaki blokları sunar.

Data Dönüşümü Temelleri

Sayım Gürültü ve Gürültü Shaping

Herhangi bir analog-dijik dönüştürücü (ADC), sürekli analog bir sinyalden ayrı bir dijital değere dönüştürme hatası getirir. Bu hata Nyquist bant genişliğine eşit olarak dağıtılır. Geleneksel Nyquist-rate ADC düz bir gürültü spektrumu vardır, maksimum achievable SNR'yi yaklaşık 6.02 N + 1.76 dB (NNR frekansının sayısı çok daha düşük bant genişliğine kadar yüksek bir hıza kadar azaltılır).

[FONT=0)SNR gelişimi ⁇ 6.02 × N + 1.76 + 10 log10 (OSR) + 10 log10 ((2L + + + + 10 log10 ((2L + + + + + + + + + + 3) / ( ⁇ (2L)))) × OSR ^(2L + 1)

OSR'nin aşırı hız oranı ve L filtre düzenidir. Yüksek siparişli gürültü şekillendirme verimlerini daha agresif bir şekilde azaltır ancak dikkatli stabilite tasarımı gerektirir.

Sigma-Delta Modulation Genel Bakış

Sigma-delta modülatörler modülasyon, geri bildirim ve düşük çözünürlükte bir ölçüm cihazı oluşturmak için yüksek çözünürlükte dijital akışlar üretmek için (örneğin, amplifatör filtrelerini belirlemek için ayarlanan döngü filtredir.In the noise-roadping filter is used the loop filter to ampslator's order and stability.In a separate-time applications, the loop is usually built the same-order-roadifier.

Operasyonel Amplifiers ile tasarım ilkeleri

Op Seçici Kriterleri

Doğru operasyonel yükselteç seçmek gürültü-shaping filtre performansı için kritiktir. Anahtar özellikler şunları içerir:

  • [FONT=0]Input gerilim gürültü yoğunluğu: [Dönder: 1 kHz'de 1 MHz aralığında faaliyet gösteren bir filtre için, 1-3 nV/ UTCHz ile bir af. Düşük frekanslı uygulamalarda, 1/f gürültü (flicker gürültü) de dikkate alınmalıdır; chopper-stabilized veya oto-zero yükselteçiciler bunu azaltabilir.
  • [FONT:0)Gain-band genişlik ürünü (GBW): ), GBW aşırı faz geçişinden kaçınmak için en az 5 ila 10 kez en yüksek sinyal frekansı olmalıdır. 1 MHz sinyali için, 10 MHz GBW minimumdur; 50-100 MHz daha güvenli.
  • [FONT=0]Slew oranı: [Dönetici: [Dönder: 0,0]Slew oranı:[Dönder: [Dönder:0] Sufficient to handle the maximum expected voltaj speed without failures. For sigma-delta modlators, fast slew rate (50 V/μs or more) help maintain lineity.
  • [FONT:0) Açık-loop kazanır: [Dönder: [Dönder: 1] Yüksek DC kazanır (≥100 dB) gürültü şekillendirmesini bozabilecek son derece hataları azaltır.
  • [FONT:0)Supply gerilim ve mevcut: Low-noise op ampleri genellikle daha fazla güç tüketiyor; ticaret-offlar hedef sistemi için değerlendirilmeli.

Bu rol için popüler artırılmış af ampsüller, [[0)ADA4898[Döneticileri) 0,9 nV/128 gürültü yoğunluğu ve 65 MHz GBW ve 0,3|Sesanslar) 0.85 nV / vizörtücükler (Texas Instruments) tam ölçekli ses tasarımları için ideal.

Core Circuit Topologys

Anahtarlandı-Kapacitor bütünleştiriciler

Ayrık zamanlı sigma-delta modüllators, amplitübücüler kullanılarak inşa edilir (SC) Bütünlemeler. Bir SC bütünleme veya giriş gerilimi ve sonra şarj cihazının tümleme kapasitesi ile yapılır. a amplifatörlükle ilgili artırılmış saat boyunca arsa (C s / C i) × (s)

Sürekli Zaman Bütünleştiricileri

Sürekli zamanlı (CT) İntetörler giriş ile bir direnç kullanır, af amplitüdün içine mevcut besleme, geri bildirim yolundaki eğimli bir bağlantı ile birlikte, s-domain'de yer alan bağlantı işlevi = 1/(sRC)[D)[Döneticiler, aflama sorunlarının ortaya çıkmasını önlemek için üst düzey bant genişliğini kullanarak daha hassastır.

Filtre siparişi ve Stability

Gürültünün filtre düzeni doğrudan gürültü transfer fonksiyonunun eğimini belirler (NTF). İkinci sipariş filtre (iki bütünlemeler), sinyal bandının içinde 40 dB/decade roll-offunu kullanarak değerlendirilir; 3. sıra filtresi 60 dB/decade. ancak, yüksek kutuplu bir modüle sahip NTF cihazı, yüzen bir sıfırlama ve potansiyel oscillation kullanarak sınırlı sayıda düzeltme sağlar.

Step-by-Step Devre Tasarımı

Plüzyon Değeri Hesaplama

64 (sampling frekansı 2.56 MHz) gibi bir sinyal genişliğine ilk bütünlemeden önce tek bir besleme yolu ile üçüncü sıralayıcı filtre tasarlayacağız.

  1. Bütünleme zamanı sabitleri seçin: Üçüncü sipariş filtre için, ilk bütünleme kutup frekansı ⁇ 0,5 × (grup genişliği) = 10 kHz; R1 = 10 kULL ve C1 = 1/(2) × 10 kHz × 10 kULL) ⁇ 1.59 nF standart değerini kullanın.
  2. İkinci bütünleme: 30 kHz'de kutupları genişletmek için ayarlayın. R2 = 10 kULL, C2 = 1/(2TY × 30 kHz × 10 kULL) ⁇ 530 pF. Use 560 pF.
  3. Üçüncü bütünleme: 80 kHz'de kutup kurmak NTF'yi dışarı çıkarmak için. R3 = 10 kULL, C3 = 1/(2}} × 80 kHz × 10 kULL) ⁇ 199 pF kullanın.
  4. Feed forward kat: Bir yemleme, sıfır yeri ayarlayan ilk bütünlemeden gelen bir beslemeye karşı direnir. Tipik değer: Rff = 100 kULL (yalnızca simülasyon sırasında).
  5. Yerel döngü istikrarı için ek geri bildirimler gerekli olabilir; Rfb = üçüncü bütünleşmenin çıktısından ilk bütünleşmeden gelen 100 kULL'yi ekleyin.

Tüm direnççiler metal filmlerinin% 0.1 tolerans ve düşük sıcaklık kataraktları olmalıdır. Capacitors, C0G/NP0 tür istikrar için olmalıdır. Op amp seçimi: 2019-04-1FLT:0)ADA4898[DD[DDDDDDDDDD:0)

Geri bildirim ve Feed forward Paths

Tamamlanan devre, geri bildirim sinyallerinin tamamının geri kalanının tamamının tamamının tamamının tamamının tamamının tamamının tamamının tekrarlanması gerekir.The complete circuit contains the three cascaded inverting bütünor. A Practical applications a specificming yükselticiifier.The printor, or simply the feedback against the feedback the correct sign for the feedback loop, the correct sign for the correct sign of the first bütünleştirme (ilk bütünlemenin girişleri) Aynı miktardan çıkar yolu ile bağlantılıdır.

Stabilite sağlamak için, her bütünleme etrafındaki yerel geri bildirimler, kapasitör ile seride bir barajı içerebilir - üst frekansların elde ettiği ve faz marjını artırmak için CT filtrelerinde ortak bir uygulama.For each bütünor, add a dirençor (e.g., 100 Ω to 1 khong) in serisi with the cleor.This introduce a finite zero that limits the high-fret.

Simülasyon ve Geçerlilik

Gürültü Analizi için SPICE kullanımı

Donanım inşa etmeden önce, profesyonel bir SPICE aracı kullanarak filtreyi (örneğin, LTspice, PSpice veya Tina-TI) Devre şematikunu ilk önce transfer fonksiyonunu doğrulamak için, sonra gerçek bir amp makromodelleri üreticiden değiştirin:

  • [FONT:0)AC analizi: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE:0)IY analizi: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜNCÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ
  • [FONT:0)Transient analizi: [Dönetici:[Dönetici: 0,0) Transient analizi: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Bir sinusoidal giriş tam ölçek (e.g., 5 kHz'de 0.4 V zirve ve modülcü çıktısını gözlemleyin.
  • [FONT:0]Hiçbiri analiz:[Dönetici:[Dönetici:0) Artırılmış gürültüyü sinyal bandı üzerinde toplayarak ve ölçüm gürültü zeminiyle karşılaştırmak için en az 10 dB gürültünün SNR'yi yükseltmek için en az 10 dB olması gerekir.

Simülasyon dengesizliği ortaya çıkarır (sil osilasyonlar veya klipler), beslemeli katları ayarlar veya barajlama direnç değerlerini azaltır.

Pratik İpuçları

PCB Layout

İyi tasarlanmış bir PCB, devrenin kendisi kadar önemlidir. Anahtar yönergeleri:

  • Parasitik indükleme ve kapasitance en aza indirmek için mümkün olduğunca af amp ve pasif bileşenleri yerleştirin. Tüm filtre bölümü altında bir zemin uçağı kullanın.
  • Ayrı analog ve dijital nedenlerle; onları tek bir noktada (yıldız zemin) ölçümleyicinin yakınında bağlar.
  • Konseratörleri ( μF tantalum + 0.1 μF seramik) her bir af amplifikünün güç pinlerinde sağlar.
  • Yüksek hacimli düğümler tutun (örneğin, girişler) kısa ve onları düşük eksenli bir noktaya bağlı olarak (örneğin, af amp’in açmaz girişi gibi).
  • Konseratörleri bütünleştirmek için düşük kapasiteliler kullanın; C0G veya NPO seramik kapasitörler idealdir.
  • Geri bildirim yollarında izlerini takip edin. Geri bildirimleri doğrudan mümkünse giriş olmadan girişten gelen geri bildirime yollayın.

Test ve ölçüm

Montajdan sonra, bir ağ analizörü veya spektrum analizörü ile filtreyi test edin. Düşük frekanslı sinek dalgayı uygulayın ve frekans aralığında transfer fonksiyonunu ölçmek. -3 dB noktasının tasarım hedefiyle eşleşen olduğunu onaylayın. Gürültü performansı için, girişin zemine ve çıkış gürültü spektrumunu ölçmek ve ADC'nin SNR'yi ölçürseniz, 3 tane dekoup analiz eder veya bir dB noktasının doğrulanması gerekir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Operasyonel yükselteçleri kullanarak gürültüyü aydınlatmak, tasarıma uygun PCB tekniklerini birleştiren sistematik bir süreçtir.Sürekli ölçümsüz, yüksek bantlı amplifatörler, istenen filtre düzeni ve bant genişliği için bileşen değerlerini hesaplamak, her türlü yanlış anlamayı gerektiren, ve SNR'nin belirli bir tasarıma dayalı olarak sunulan temel bilgileri kullanarak, yüksek çözünürlükte ölçeklendirmek için sürekli olarak ölçeklendirmek için yüksek çözünürlükte bir şekilde ölçeklendirmek için ölçeklendirmek için kullanılan bir ölçeklendirme cihazı oluşturmak.