4 宽带滤波器

尽管带有 sinc 滤波器的 Δ-Σ ADC 非常适合低带宽应用，但在高带宽应用中使用 Δ-Σ 架构也会大有裨益。例如，可以使用 Δ-Σ ADC 精确测量音频或振动信号。需要高带宽的测试和测量设备是 Δ-Σ ADC 非常适合的另一个应用。对于这些应用，宽带滤波器可用作 Δ-Σ ADC 上的集成数字滤波器。

交流应用需要衰减或纹波很小的宽通带，但仍然需要 Δ-Σ ADC 过采样拓扑标配的精度。所以有些 ADC 采用具有陡峭过渡频带的宽通带滤波器进行设计。ADS127L01 是一款针对宽带宽应用进行优化的 24 位 Δ-Σ ADC，它带有此类滤波器。图 4-1 显示了在达到 ADC 的输出数据速率 f_DR（即 512kHz）时滤波器的幅度响应。注意滤波器的过渡频带在 f_DR 的大约一半处（信号开始混叠到通带的频率）有多陡峭。这有助于极大地限制不必要的信号或噪声混叠。滤波器的响应在 ADC 的调制器频率 f_MOD 附近重复之前，阻带幅度绝不会超过 –116dB。

图 4-1 达到 f_DR 时 ADS127L01 宽带滤波器的幅度响应

对于更高带宽的应用，出于一些原因，sinc 滤波器不足以满足要求。首先，频率响应会提前滚降，并在相对较低的频率下降低。这限制了可用的信号带宽。另一方面，宽带滤波器在 f_DR 的大约一半处几乎保持完全平坦，从而在任何给定数据速率下可更大限度地提高可用的信号带宽。

其次，对于交流应用来说，混叠是一个更值得关注的问题。sinc 滤波器并不是很适合，因为它在 ADC 输出数据速率的一半（即 f_DR/2）时没有充分衰减。或者，宽带滤波器具有出色的阻带衰减，从而更大限度地减少混叠。

对于没有集成数字滤波器的 ADC，实现如此陡峭的抗混叠响应的选项很有限。众所周知，具有陡峭滚降的高阶模拟抗混叠滤波器很难设计，并且会受到元件容差和温度的影响。或者，可以对转换器进行过采样并在处理器中以数字方式进行滤波，但这会以牺牲指令周期为代价，而在高速应用中，指令周期可能非常有限。Δ-Σ ADC 中的宽带滤波器凭借其内置的“过采样，低通滤波器，然后抽取”拓扑真正解决了这一问题。

所有数字滤波器之间都需要进行权衡，为了实现出色的频域性能，需要更长的建立时间。对输入应用阶跃函数后，ADS127L01 的数字滤波器需要 84 个输出采样周期才能稳定至最终输出。因此，宽带滤波器不适合在多个信号源输入之间循环的应用。

图 4-2 显示了 ADS127L01 宽带滤波器的阶跃响应。

图 4-2 ADS127L01 宽带滤波器对单位阶跃输入的响应

该滤波器具有线性相位响应，这意味着其群延迟（由于相移造成的延迟）在整个频率范围内保持恒定。对于此滤波器，群延迟为 42 个输出数据样本。

Δ-Σ ADC 中的宽带数字滤波器为不需要在不同信号源之间进行多路复用的宽带、精密测量信号链提供了理想的功能块。具有低纹波的平坦通带可确保不会丢失带内信号内容，陡峭的过渡和出色的阻带衰减可在抗混叠至关重要的环境中提供灵活性。此外，仍然可以达到 Δ-Σ ADC 的预期精度。