多级结构滤波器设计：低功耗高精度Σ-ΔADC挑战与解决方案

本文主要讨论的是多级结构在ni-xnet数据配置中的应用，特别是针对sigma-delta ADC（Σ-Δ模数转换器）的降采样滤波器设计。Sigma-delta ADC因其高精度和低功耗特性在模数转换器领域受到广泛关注，但其高速性能相对较低。本文首先介绍了单级滤波器设计中阶数与功耗、面积的关系，指出当阶数过大时，会显著增加设计的复杂性和成本。 5.3.1 单级结构滤波器设计 在设计过程中，单级滤波器由于需要处理较大的阶数以满足窄带宽的信号要求，会导致面积和功耗的显著增加。阶数的估算公式显示，滤波器阶数与过渡带与输入采样频率的比例密切相关。例如，如果输入采样率为6.144 MHz，降采样率M=128，且滤波器参数设定导致阶数高达689阶，这将带来极高的硬件开销。为解决这个问题，文章提出通过采用多级结构滤波器来分解任务，每级滤波器的阶数大幅减少，从而节省面积和功耗。 5.3.2 多级结构滤波器设计 通过将设计目标分配到多级滤波器中，可以有效地降低整体的阶数。关键在于合理安排各级滤波器的边界频率，使每个级的过渡带与输入采样频率的比例扩大，进而降低每个级的阶数。这种方法在保持精度的同时，降低了硬件复杂性和成本。 文章还详细介绍了Σ-ΔADC的系统设计，包括模拟调制器和数字滤波器的重要性。设计方法利用Matlab进行建模和仿真，根据过采样率、精度需求，确定模拟调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益。在模拟调制器设计中，对各种非理想因素如运放性能、采样电容噪声等进行了量化分析，以优化电路性能。本文选择了2阶单环多位结构，并采用新型时钟馈通补偿技术和自举开关来减少量化噪声和输入级开关非线性，进一步提升了系统的动态性能。 此外，高增益的运算放大器对于Σ-ΔADC的精度至关重要，本文采用了两级运算放大器结构，其中第一级采用共源共栅，第二级采用共源放大器，共模反馈电路采用开关电容结构，以增强放大器的性能。 本文探讨了如何通过多级结构滤波器设计和Σ-ΔADC系统的详细优化，来平衡高速、高精度和低功耗之间的关系，这对于实际的嵌入式系统和信号处理应用具有重要意义。