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[参考译文] THS4541:ADC 滤波器设计||

Guru**** 1178510 points
Other Parts Discussed in Thread: THS4541, ADC34J22, TINA-TI
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1240045/ths4541-filter-design-for-adc

器件型号:THS4541
主题中讨论的其他器件: ADC34J22TINA-TI

您好!

我计划在设计中使用 TI 器件"THS4541QRGTRQ1"、并且需要在 THS4541QRGTRQ1的差动输出与 ADC 之间设计一个低通滤波器(器件型号:AD9253TCPZ-125EP)。 对滤波器的要求如下:

-3dB 频率= 125MHz

滤波器 阶数=三阶或五阶

首选滤波器:LC 滤波器未激活、 也可以是巴特沃斯或贝塞耳型。

我在数据表中找不到任何关于使用某种类型的滤波器建议的建议。 可以有人帮助我提供一些示例设计吗?

 

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    您好!

    感谢您的提问。

    您可以针对所需的应用将5阶巴特沃斯 LPF 与 THS4541搭配使用。 我之所以选择巴特沃斯 LPF、是因为它提供了出色的输出响应而没有纹波效应。 请查看随附的仿真示例、假设 FDA 增益= 3.5且 Vin = 10MHz、为正弦输入。  

    还可以实现 LC 滤波器的不同配置、但请记住、THS4541的带宽为850MHz、因此应将增益(R2/R1)限制为5。 此外、由于您要为 FDA 设计 LPF、因此+Vo 的 LC 组合也应镜像到-Vo 中。

    THS4541输出串联的50欧姆阻抗是高频 PCB 设计的标准阻抗(单击以下链接了解详情)。
    https://resources.altium.com/p/mysterious-50-ohm-impedance-where-it-came-and-why-we-use-it

    e2e.ti.com/.../THS4541_5F00_E2ESupport_5F00_MS_5F00_final.TSC

    此致!
    马利卡·森蒂尔

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    您好、Mallika、

    感谢您共享该仿真文件、它非常有帮助。 仿真看起来非常好。

    还有一些我忘了分享的附加信息、还有一些由于项目限制而需要进行的细微更改。

    1) 1)放大器的增益需要接近1或略大于1。

    2) ADC 输入引脚上的最终输出截止频率需要在150MHz 左右()。

    3)由于空间限制、决定使用三阶滤波器而不是五阶滤波器。

     (4)第47页的 THS4541数据表(10.2.2连接到高性能 ADC)显示了输出电阻为35.7E。 那么、我们应该改用该方法、并且我们是否还需要在输出端使用6.2E 和442E、如图所示?

    我还忘记了分享使用贝塞耳滤波器进行的仿真。 您能否建议巴特沃斯的贝塞耳滤波器是否更好、并考虑到上述几点以及我分享的该仿真中给出的增益配置、共享一个最终仿真?

    e2e.ti.com/.../MFB-5th-Order-Bessel-LPF.TSC

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    尊敬的 Shine:

    为了逐点解答您的问题:

    1. THS4541可以在单位增益配置下运行、但是、它的带宽和稳定性能会受到影响。 为了补偿整体系统性能、还需要采取其他措施、因为您提到了空间限制、所以我认为这对于您的应用来说并不可行。

    2. 请找到随附的150MHz 截止频率的示例 TINA sketch、但为了实现稳定性、已将增益设置为2V/V。
    3. 请参阅 TINA sketch
    4. THS4541数据表第47页的图表专为与 ADC34J22的接口而设计、因此电阻器值特定于它。 此外、该设计考虑了传输线路中的布线、因此考虑了442 Ω。 但在您的情况下、由于听起来您要将元件靠近放置、这种传输线路效应可能没有实际意义。  
    5. 关于使用的滤波器类型、FDA 或 ADC 不会产生限制因素。 应用、响应形状和相移决定了滤波器拓扑。  
      有关更详细的说明、请访问以下链接。
      https://blog.bliley.com/filter-typology-face-off-a-closer-look-at-the-top-4-filter-types
      e2e.ti.com/.../THS4541_5F00_E2ESupport_5F00_MS_5F00_R2_5F00_final.TSC 

     

    我希望这可以解答您的问题。

     

    此致!
    马利卡·森蒂尔

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    您好、Mallika、

    设计文件对我很有帮助。 再多几个问题;

    1) 1)您对增益很满意、我想我将选择205E 和499E 电阻、就像我之前分享的设计一样。 请确认该增益配置是否正常。 带宽可能会略有变化、但没关系、如果可能、建议我是否需要更改滤波器值、以便获得150MHz。

    2)我可以看到两种不同的偏置电压:Vocm 和 Vocm_ADC。 我希望输出摆动在 ADC 提供的900mV Vcm 附近。 那么、除了 必须通过 VCM 从外部上拉每个差分端子之外、将其提供到 FDA 的 Vocm 引脚是否足够? 请注意、ADC 输入引脚内部没有偏置。

    3)我看到使用了贝塞耳滤波器。 使用它的原因是什么。 在您看来、巴特沃斯滤波器或贝塞耳滤波器更适合三阶滤波器吗? 应用需要非常平坦的通带。  

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    尊敬的 Shine:

    使用205E 和499E (增益=2.43V/V)电阻值、通过更改电感器和电阻值、可将截止频率增加到150MHz。 请参阅随附的 TINA-TI 文件。

     

    我使用贝塞耳滤波器作为示例、如果您的应用需要平坦通带、巴特沃斯滤波器会更合适。 在没有单独 Vocm 的情况下、可以实现输出摆幅。 我使用提到的新规格重新设计了电路、请参阅随附的文件。

     

    有关其他说明、请参阅我们的 FDA 和 ADC 高精度实验室视频系列、以及 此处链接的应用手册

    e2e.ti.com/.../THS4541_5F00_E2ESupport_5F00_MS_5F00_R3_5F00_3.TSC 

    此致!
    马利卡·森蒂尔

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    尊敬的 Mallika Senthil:

    感谢您与我分享该电路、因为它非常有用。 您还能否分享用于设计巴特沃斯滤波器或任何滤波器的设计/仿真工具或链接? 我使用了以下工具、得到了一个非常不同的值、这只是为了进行确认。

    https://rf-tools.com/lc-filter/

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    尊敬的 Shine:

    我使用了上面提到的同一个网站: https://rf-tools.com/lc-filter/。  

    网站计算不考虑:

    1. FDA 应用

    2.整体电路的增益和阻抗。  

    在 FDA 中、LC 组合必须镜像到 Vo+和 Vo-中、因此电容值(C1和 C2)加倍。 计算器中使用的截止频率几乎是补偿 THS4541增益和电阻所需值的两倍。 通过一些试错组合、您可以找到用于计算的最佳截止频率值。

    我已附上我在计算器上设置的值的图像供参考。


    有关 FDA 电路设计和 FDA 与 ADC 连接的更详细说明、请访问以下链接。

    https://www.tij.co.jp/jp/lit/an/slyt119/slyt119.pdf?ts=1688167489789&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    https://www.ti.com/lit/an/snoa948/snoa948.pdf?ts=1688167325388&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    此致!

    马利卡·森蒂尔

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    您好、Mallika、

    这是非常有帮助的。 非常感谢。 弹出的另一个问题是、我在 ADC 数据表中看到以下建议(在数据表以及评估板原理图中)、关于将一个与 ADC 输入串联的33E 和5pF RC 低通滤波器。 但考虑到我已经有一个三阶巴特沃斯滤波器、我是否真的需要这个额外的滤波器? 是否仅适用于耦合的变压器? 如果我们按照设计使用 TI 的 FDA 和 LP 巴特沃斯滤波器、这真的是必需的吗?

    https://www.analogue.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad9253.pdf

     https://www.analogue.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/eval-ad9253.html

    此外、为了防止此应用手册有用、

    https://www.analogue.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-742.pdf?doc=AD9253.pdf

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    尊敬的 Shine:

    我想您应参考的是 ADC9253数据表的第23页。 是的、正确、ADC 的输入信号已通过巴特沃斯滤波器、因此不需要33欧姆和5pF。

    此致!

    马利卡·森蒂尔

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    尊敬的 Mallika:

    谢谢。 编译了所有建议、我使用滤波器修改了 FDA (尚未删除33E 和5pF 的单极滤波器)。 我将附加最终的

    FDA 电路的原理图。 请您回顾并评论以下几点;

    e2e.ti.com/.../6305.fda_2B00_filter.pdf

    1) qn 同时适用于 SE 和差分配置:

    是否需要电阻器;由于 VCM 来自 AD9253 ADC、因此 R86和 R79必须具有一定的值。 我只需要一个隔离选项、但同时不要让它从 ADC VCM 引脚灌入过多电流。 您是否有建议将其作为一个理想值?

    2) qn 适用于差分配置:

    对于 R89、我不确定要放置的总输入差分阻抗是100E、因为它是来自 MAX40660ATB/VE+ (跨阻放大器)输出的高速100E 差分通道。 但我从 FDA 数据表看到、需要通过考虑串联电阻器(在本例中为205E)和射频电阻器(499E)来实现100E 差分输入阻抗。 从  MAX40660ATB/Vy+的角度来看、总差分输入阻抗应为100E。 您能否建议使用此 R89 的值来实现该差分100E 匹配阻抗、并说明所涉及的计算?

    3) qn 适用于单端配置:

    我从数据表示例中获得了50E 单端配置的输入电阻值(第47页)。 理想情况下、我希望 FDA 输入端具有50E 的单端输入阻抗。 您能否解释一下示例中使用的计算? 此外、如果电阻器 R82从232E (59E||49.9E + 205E)更改为250E、会发生什么情况?对增益和输入单端阻抗有什么影响?

    对于电路和滤波器、希望这是我最后的问题。 感谢所有的帮助。

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    尊敬的 Shine:

    为了逐点解答您的问题:

     

    1. 由于此处使用的 ADC 的输出共模电压为0.9V (而不是 THS4541数据表中使用的 ADC 电压为0.95V)、因此电阻 R86将变为200欧姆。

    2. 可以使用以下公式计算端接阻抗:

       

      因此,对于您的电路,Rt = 132.26 E,以便总端接阻抗(ZT = Rt ||(R1+R3)为100 E。

      如需更多信息、请参阅以下内容:

      https://www.ti.com/lit/an/slyt143/slyt143.pdf?ts=1688599823663&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    3. 我不确定这里为什么需要单端配置、我需要更详细一点的说明。 但是、您可以在以下中找到相关计算:

      https://www.ti.com/lit/an/slyt143/slyt143.pdf?ts=1688599823663&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

      TI 计算器也应帮助您:  

      https://www.ti.com/product/THS4541#design-tools-simulation

    我很乐意帮助 Shine!

    此致!
    马利卡·森蒂尔

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    e2e.ti.com/.../fda_2B00_filter_5F00_A0_2D00_02.pdf

    我已经落实了您的意见。 您能否回顾一下最终的差分和单端电路、尤其是输入阻抗、增益和输出滤波器配置。  

    我需要差分和单端(来自具有50E 输出阻抗的运算放大器)配置。

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    尊敬的 Shine:

    原理图看起来很好。 感谢您使用 TI 进行设计。 您可以随时使用上述仿真、因为您不断进行开发可以在评估过程中为您提供帮助。
    另一条意见是、在制造之前请考虑 THS4541的最佳布局实践(THS4541数据表第49页)。

    此致!
    马利卡·森蒂尔

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    您好、Mallika、

    在查看数据表中的详细信息时、我遇到了一个问题、其中讨论了输入和输出电压的余量、这对于单电源而言非常令人困惑。 它还表明 Vocm 必须具有0.95V 的余量。

    但在我的 ADC 中、Vocm 为0.9V。 您能检查一下前面注释中给出的电路在所有温度范围内是否与 AD9253 Vocm 配合良好?  

    1)对于差分、交流耦合输入峰峰值电压最大值为+/-350mV (BPD_OUT_P - BPD_OUT_N)、Vocm = 0.9V

    2)对于单端、输入 峰值电压最大值为-400mV (在 SPD_OUT 处)、Vocm = 0.9V

    评估板的屏幕截图、其中提示使用单电源;

    您是否建议、如果所有温度范围的裕度为0.9V、我会使用+2.5V 和-2.5V 双电源、以便0.9V 具有更好的裕度? 在最终版本发布之前、请告知我们发现此可能问题。 此外、如果使用双电源、请检查是否存在任何输入/输出电压摆幅问题。

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    Shine、您好!

      第一个部分确实建议该器件的输出共模电压为0.88V 至0.94、但这被标记为负电源的余量。 例如、如果您有:

    • 5V 的单电源电压、那么输出共模电压为0 (负电源)+ 0.88V = 0.88V 至5V (正电源)- 1.1V = 3.9V。  
    • 2.5V 和-2.5V 双电源、则输出共模电压为-2.5 (负电源)+ 0.88V =-1.62V 至2.5 (正电源)- 1.1V = 1.4V。  

     根据环境温度、使用上述示例、您可以对0.9V 输出共模电压使用单电源配置。 使用双电源配置、那么在所有环境温度下0.9V 将在器件范围内。  

     对于差分和单端电压、我们都不会看到输入电压和输出共模电压选择有问题。 由于这是轨到轨输出和输入到 V-器件、因此您处于器件的输入和输出电压范围之内。  

     建议使用具有电源配置设置的单电源、其中 Vocm 恰好处于 Vs+和 Vs-之间、或称为1/2 Vs。 然后、对于双电源、理想的放大器性能是将 Vocm 设置为0V 电压。 原因是当 Vocm 设置为1/2 Vs 时、放大器具有更好的性能和更低的失真。

      失真是否是您的应用的关键规格? 图17和35显示了采用单电源时不同 Vocm 的失真性能。 要切换到双电源、您可以使用相同的余量计算来确定相对于中间电源的偏移、对于该应用、这将是0V 至0V 的偏移。

    谢谢!

    西马

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    您好、Sima、

    感谢您的评论。 我们的应用包括未来在极端温度下进行的热测试。 因此、我决定采用分离电源选项、因为它可以具有更好的 Vocm 范围。 关于失真、我同意存在失真效应、但这种情况下的变化似乎很小、因为单电源也意味着在这种情况下 Vocm 不是1/2 Vs。 您能否查看最终的原理图并评论任何更改。  e2e.ti.com/.../6131.FDA_5F00_Split_5F00_pwr.pdf

    1)差分源阻抗为100E、交流耦合、并且具有大约300mV 峰值到峰值的摆幅。

    2)单端 源阻抗为50E、直流、范围为0V 至-400mV (最大值)。

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    Shine、您好!

     我同意您的选择、从数据表中的图可以看出、最好使用双电源、并且在1/2 Vs 的1V Vocm 范围内失真影响最小。

     您的原理图看起来不错。  最终原理图与  Mallika 之前分享的仿真相匹配、并与我们 任何 FDA 产品文件夹的设计工具与仿真选项卡下提供的 FDA 计算器相匹配。

    1. 差动源100E、 交流耦合、具有大约300mV 峰间摆幅。                
    2. 单端 源阻抗为50E 直流、范围为0V 至-400mV (最大值)。  

          (按下图像以放大图像、并获得更高的图像分辨率)

    谢谢!

    西马

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    您好、Sima、

    感谢您的详细分析。 我还希望巴特沃斯滤波器可在滤波器输出端提供150MHz 的截止频率。 其次、这种配置中每种配置的总功耗是多少?

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    Shine、您好!

     没问题! 是的、此电路应该符合您的设计要求。 使用  Mallika 的 Tina-TI 文件、以下是您的电路的交流响应:

      

      对于每种配置的功耗/耗散、您可以使用 FDA 计算器上的先前回复中的两个图像来进行估算。 表格位于每个图像的右上角。 唯一的细微变化是 Rload、它将是 FDA 输出端的总阻抗、这将是您的滤波器。 在估算约100 Ω 差分电阻器输出负载的情况下、以下是 重新计算后的功率损耗:

    谢谢!

    西马

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    谢谢、Sima 和 Mallika。 非常感谢您提供的宝贵意见。