完全差動アンプ (FDA) を使用するアクティブ A/D (ADC) フロント エンドには、優れたインピーダンス整合、パスバンドの平坦性、信号ゲインなど、多くの利点があります。ただし、次期設計で ADC の帯域の一部だけを必要とする場合は、FDA の出力と ADC の入力の間にアンチエイリアシング フィルタ (AAF) を使用する必要があるかもしれません。AAF を使用すると、周波数帯域要件内で、信号対雑音比 (SNR) 性能が向上し、スプリアスまたはスプリアス フリー ダイナミック レンジ (SFDR) が低下します。

どのような種類の AAF 構造でも、フィルタの次数とトポロジ、FDA と ADC の間のインターフェイスを強化するために逆終端抵抗や直列抵抗が必要かどうかなど、実装プロセス中に考慮する必要があるトレードオフがいくつかあります。本書では、このような AAF のニュアンスと、次期設計で直面するかもしれない問題を回避する方法について説明します。

ADC の前で最適な性能 (帯域幅、SNR、SFDR) を実現するために、アプリケーションに適した FDA を決定し、ローパス フィルタとバンドパス フィルタのどちらを使用するかを決定したと仮定して、以下の 3 つのステップに従ってください。

1. アンプの負荷インピーダンス (RL) の特性について理解します。アンプが最高の性能を発揮するには、データシートに記載されている適切な DC 負荷または RL をアンプが感じる必要があります。これは、仕様の各表の最上部に記載されているインピーダンスの特性です。
2. アンプの出力に最も近い位置で使用する、適切な出力直列抵抗の量の開始点を決定します。これにより、パスバンドでの不要なピークを防ぐことができます。通常この情報は FDA の『LMH5401 8GHz、低ノイズ、低消費電力、完全差動アンプ データシート』にも掲載されています。
3. ADC への入力を逆終端するために 1 つまたは複数の外付け並列抵抗を使用するかどうか、および ADC をフィルタから分離するための入力直列抵抗の開始値を決定します。また、これらの直列抵抗は、パスバンドでの不要なピークや、バッファなし ADC でよく見られるキックバックを低減するのにも役立ちます。

図 1 に、仕様表の例を示します。

図 2 の汎用回路と、表 1 のフィルタ パラメータ一覧は、ほとんどの高速差動 FDA と ADC インターフェイスに適用されるので、AAF 設計の基礎として両方を使用できます。

すべてのフィルタ構造が完全に同じになるわけではありませんが、図 2 は設計を開始するための青写真として活用することができます。この設計手法を使用すると、ほとんどの高速 ADC の比較的高い入力インピーダンスと、駆動源 (FDA) の比較的低い出力インピーダンスを利用することで、フィルタの挿入損失を最小限に抑えることができるようになります。

基本的な AAF の設計プロセスとガイドラインは次のとおりです。

1. 外付け ADC 終端抵抗 (R_TADC) を適切に設定します。これにより、AAF は目的の周波数応答で真のインピーダンスを実現することができます。
2. 経験または ADC データシートの推奨事項に基づいて、R_KB を選択します。通常、これは 5Ω～50Ω です。
3. 式 1 を使用して、R_TADC、R_KB、R_ADC の並列と直列の組み合わせの合計が 100Ω～400Ω になるように、フィルタの負荷インピーダンスを計算します。前のセクションの推奨事項を参照してください。
   式 1. Z_AAFL - R_TADC || (R_ADC + 2R_KB)
4. アンプの外付け直列抵抗 (R_A) を選択します。通常、これは 5Ω～50Ω です。R_A は、アンプの出力応答を減衰させ、パス バンドでの不要なピークを減少させます。
5. 計算された Z_AAFL を使用して、アンプが感じる総負荷 (Z_AL) が、選択した特定の差動アンプに最適になるようにします。上記の「AAF 設計手法」セクションのステップ 1 を参照し、式 2 を使用してください。
   式 2. Z_AL = 2R_A + Z_AAFL

   ZAL は FDA の特性 _RL であることに注意してください。したがって、値が高すぎても低すぎても、アンプの直線性に悪影響を及ぼす可能性があります。

6. フィルタのソース抵抗を、式 3 で計算します。
   式 3. Z_AAFS = Z_O + 2R_A
7. フィルタ設計プログラムを使用して、同じソースと負荷のインピーダンス、可能であれば Z_AAFS と Z_AAFL を使用してフィルタを設計します。これにより、フィルタ内での損失量を減らすことができます。入出力インピーダンスの不一致がある場合、10*log (入力 Z / 出力 Z) の損失が発生します。たとえば、入力インピーダンスが 50Ω、出力インピーダンスが 200Ω の場合、フィルタの損失は -6.0dB または 10*log (50/200) となります。また、アプリケーションの目的の帯域幅よりも 10% 程度高い帯域幅を使用すると、アプリケーションごとに意図した帯域幅がを確実にカバーされ、フィルタの実装プロセスで実現されなかった 2 次および 3 次の寄生損失を克服することができます。

   予備的なシミュレーションを数回実行した後、次の項目について回路を簡単に確認します。

8. C_{AAF2 & 3} の値は、C_ADC の変動に対するフィルタの影響を最小限に抑えるために、C_ADC に対して十分に大きな値でなければなりません。
9. フィルタがほとんどのフィルタ テーブルや設計プログラムの制限内に収まるように、Z_AAFL と Z_AAFS の比率は 6 対 7 を超えないようにする必要があります。理想的には、損失を最小限に抑えるために同じにするべきですが、通常は不可能です。
10. 寄生容量や部品のばらつきの影響を最小限に抑えるために、C_AAF2 の値は数 pF の範囲で使用するようにしてください。
11. インダクタ L_AAF1 と L_AAF2 は妥当な値で、nH の範囲内でなければなりません。
12. C_AFF2 と L_AAF2 の値は妥当な値であるべきで、フィルタの中心周波数を最適化するためにこの 2 つのパラメータを選択します。回路シミュレータでは、これらの値が低すぎたり高すぎたりすることがあります。これらの値をより妥当なものにするには、同じ共振周波数を維持する、より優れた標準値の部品とこれらの値とを単純に比較するだけです。
13. ギガヘルツ帯で設計する場合は、フィルタの特性形状やアウトラインを乱す可能性のある 2 次および 3 次の寄生効果を最小限に抑えるため、可能な限り 0201 パッケージ スタイルを使用してください。

場合によっては、特に高次フィルタでは、フィルタ設計プログラムによって複数の独自ソリューションが提供されることがあります。常に、最も妥当な部品値一式を使用するソリューションを選択してください。シャント コンデンサで終わるフィルタ構成の場合、ADC の内部入力容量も考慮してください。フィルタの極と最終的な帯域幅を正しく設定するには、1 回または 2 回の反復が必要になる場合があります。