DN276: LTC1564：数字调谐抗混叠/重构滤波器可简化高性能DSP设计
引言
通常使用模拟抗混叠滤波器来限制模数转换器输入端宽带信号的频带。此外，随着转换器采样速率的变化，抗混叠滤波器的通带也应相应增加或减少。高分辨率转换器的频率可调模拟滤波器需要大量昂贵的精密元件。LTC®1564为数据采集仪器和数字信号处理(DSP)系统设计人员提供了一款低噪声、连续时间、“砖墙”式低通滤波器，其转折频率 fC（ fC范围为10kHz至150kHz，步进为10kHz）可通过数字方式进行控制。LTC1564还内置一个数字可编程增益放大器（PGA，1V/V至16V/V，步进为1V/V）。一个简单的片内锁存数字接口用于控制转折频率和增益设置。LTC1564采用小型16引脚SSOP封装，工作电源电压范围为2.7V至10.5V（单电源或双电源）。
滤波性能和操作
LTC1564是一款具有轨到轨输出的高分辨率滤波器。具有两个阻带陷波的8阶低通响在2.5倍fC时提供约100dB的衰减，因此它适用于高分辨率抗混叠滤波。尽管滤波器阶数较高，但在20kHz转折频率和单位增益下，宽带噪声仅为33μVRMS（典型值），比±5V电源的轨到轨最大信号电平低100dB。在更高增益设置下，折合到输出端噪声仅略微上升。在最大24dB (16V/V)增益设置下，上述20kHz响应的输出噪声电平为40VRMS（或折合到输入端噪声为2.5VRMS）。LTC1564中的增益控制是滤波器的重要组成部分，采用专有方法来尽量降低总噪声。使用单独的可变增益放大器和滤波器电路很难实现此特性。LTC1564满足了市场对低通滤波器的需求，其性能大致达到了“三个100”：100dB阻带衰减、100dB信噪比(SNR)和100kHz带宽。
即使不是滤波器专家或模拟设计工程师，也能上手使用LTC1564。模拟引脚只有三个：输入、输出和半电源基准电压点AGND（图1）。其他引脚是数字控制和电源。LTC1564就像一种盒装仪器，带有模拟输入和输出插孔，以及两个标有“频率”和“增益”的旋转开关。频率设置“F”和增益设置“G”是4位代码，通过F和G数字输入引脚进行输入（表1）。此外，将 F代码设置为0000会使滤波器进入“静音”状态，此时滤波器依然满功率运行，但增益被强制设为零（通常为-100dB）。LTC1564 数字输入的逻辑电平标称值为轨到轨 CMOS 电平（采用 3V 或5V单电源或±5V双电源供电时，逻辑1为V+，逻辑0为0V）。
图1. 双电源电路
| F3 | F2 | F1 | F0 | G3 | G2 | G1 | G0 | MODE |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | fC = 10kHz, 通带增益 = 1V/V (0dB) |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | fC = 150kHz, 通带增益= 1V/V (0dB) |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | fC = 10kHz, 通带增益= 16V/V (24dB) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 无关 | 静音状态，零增益 |
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应用示例：双芯片“通用”DSP前端
在图2中，滤波器LTC1564用于驱动16位500ksps模数转换器(ADC) LTC1608，实现一个高度灵活、完整的16位模数信号接口，具有可变增益、可变采样速率和高达150kHz的可变模拟带宽。信号带宽和抗混叠滤波的设置，是通过LTC1564的频率设置“F”代码和由LTC1608的 CONVST 输入（引脚31）控制的采样速率进行的。
图2. 通用DSP模拟前端
例 如 ，当 LTC1564通带转折频率(fC)设置为100kHz、LTC1608 ADC控制的采样速率(fS)为500ksps时 ，在fS/2或250kHz的关键模拟折频下，可实现100dB的抗混叠保护。另一个独立选项是以低于5 • fC的速率(fS)进行采样。这种情况下，折频(fS/2)从2.5 • fC下移到模拟滤波器滚降带内的某个位置，此时滤波器的抑制能力达不到100dB。这会降低对频率为fS/2及以上的信号的抗混叠抑制，但在许多应用中，它仍能提供足够的抗混叠保护，尤其是当频率为fS/2及以上的可混叠信号的电平低于频率为 fC及以下的目标信号的电平时（事实通常如此）。通过选择适当的ADC采样速率和滤波器F代码，图2中的电路可以支持这两个或其中一个选项。
图3显示了图2电路数字输出的实测FFT频谱。LTC1564将40kHz、100mVRMS正弦波预放大至4.5VP-P，几乎覆盖了LTC1608 ADC的输入范围。LTC1564的截止频率设置为50kHz，增益为16V/V，ADC的采样频率为204.8kHz。总谐波失真(THD)下降86dB，动态范围为109dB（由于滤波器噪声并不随着增益增加而提高，因此可编程滤波器增益将动态范围扩展到单位增益范围之外）。
图3. 图2中电路的数字输出端的FFT图
结语
LTC1564除了提供高分辨率抗混叠之外，还可用作重构滤波器，消除数模转换器(DAC)输出端不必要的高频信号频谱。只需要两个LTC1564、一个ADC和一个DAC，就能构建一个简单、紧凑、经济、高性能的数字信号处理和生成系统。
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