LTC1564：デジタル制御アンチエリアシング/リコンストラクション・ フィルタによる高性能DSPデザインの簡素化 − デザインノート276 Max W. Hauser and Philip Karantzalis はじめに 一般に、アナログ・アンチエリアシング・フィルタは、AD コンバータの入力の広帯域信号の帯域制限に使われます。 さらに、コンバータのサンプリング・レートが変化する と、それに応じてアンチエリアシング・フィルタのパスバ ンドを増減させる必要があります。高分解能コンバータ用 の、周波数調節可能なアナログ・フィルタには高価な高精 度部品が多数必要です。LTC®1564を使うと、データ収集 装置やデジタル信号処理（DSP）システムのデザイナは、 コーナー周波数fC（fCの範囲は10kHzステップで10kHz∼ 150kHz） のデジタル制御付きの、低ノイズ、コンティニュ アスタイム 「ブリック・ウォール」 ローパス・フィルタを手に 入れることができます。LTC1564にはデジタルで利得をプロ グラム可能なアンプ （PGA、1V/Vステップで1V/V∼16V/V） も内蔵されています。簡単な、オンチップのラッチ付きデジ タル・インタフェースにより、コーナー周波数と利得が制御 されます。LTC1564は小型16ピンSSOPで、全範囲2.7V∼ 10.5Vの電源 （単電源または両電源） で動作します。 LTC1564を使うのに、フィルタの専門家やアナログ・デ ザイナである必要はありません。アナログ・ピンは3本し かありません。つまり、入力、出力、および電源電圧の半 分の基準電圧点AGNDです（図1）。その他のピンはデジタ ル・コントロールと電源です。LTC1564はアナログ入力 ジャックとアナログ出力ジャック、さらに「周波数」および 「利得」というラベルの付いた2個のロータリ・スイッチを 備えた箱に収まった装置とみなすことができます。周波数 設定値 “F” と利得設定値 “G” はFとGのデジタル入力ピンから 入力される4ビットのコードです （表1） 。さらに、Fコードを 0000に設定すると、 「ミュート」 状態になり、フィルタは完 全に電源の入ったままですが、利得はゼロ （標準−100dB） です。LTC1564のデジタル入力のロジック・レベルは公称 レール・トゥ・レールCMOSです （シングルの3Vまたは5V 電源動作またはデュアルの±5V電源動作ではロジック1は V+でロジック0は0V）。 ANALOG IN V+ GAIN CODE フィルタの性能と動作 LTC1564はレール・トゥ・レール出力付きの高分解能 フィルタです。2つのストップバンド・ノッチを備えた8次 のローパス応答により、fCの2.5倍で約100dBの減衰とな るので、高分解能のアンチエリアシング・フィルタとして 最適です。フィルタの次数が高いにもかかわらず、広帯域 ノイズは20kHzのコーナー周波数およびユニティ・ゲイン でわずか33μVRMS（標準）であり、これは±5V電源のレー ル・トゥ・レール最大信号レベルより100dB下の値です。 出力を基準にしたノイズは高い利得設定でわずかに上昇し ます。最大24dB（16V/V）の利得設定で、上に述べたのと 同じ20kHzでの応答は、出力ノイズ・レベルが40μVRMS （つまり入力を基準にしたノイズが2.5μV RMS ）です。 LTC1564の利得制御はフィルタの不可欠の要素であり、 意図的に全体ノイズを最小化する独自の方法が使われてい ます。この機能を別個の可変利得アンプとフィルタ回路を 使って実現するのは非常に困難です。LTC1564はおおよ そ 「100-100-100」 の性能でローパス・フィルタの要求を満 足させます。つまり、ストップバンド減衰が100dB、SN 比（SNR）が100dB、さらに帯域幅が100kHzです。 、LTCとLTはリニアテクノロジー社の登録商標です。 01/02/276 16 15 14 13 12 IN AGND V + RST G3 11 10 9 G2 G1 G0 F2 F1 F0 LTC1564 OUT V 1 ANALOG OUT – 2 V– CS/ EN HOLD F3 3 4 5 6 7 8 FREQUENCY CODE 正電源と負電源はそれ POSITIVE AND NEGATIVE ぞれ1.35V∼5.25Vに SUPPLIES CAN BE FROM 1.35V TO 5.25V EACH することができる DN276 F01 図1．デュアル電源回路 表1．LTC1564のコーナー周波数と利得のプログラミング F3 F2 F1 F0 G3 G2 G1 G0 MODE 0 0 0 1 0 0 0 0 fC = 10kHz, Passband Gain = 1V/V (0dB) 1 1 1 1 0 0 0 0 fC = 150kHz, Passband Gain = 1V/V (0dB) 0 0 0 1 1 1 1 1 fC = 10kHz, Passband Gain = 16V/V (24dB) 0 0 0 0 Don’t Care Mute State, Zero Gain アプリケーション例：2チップ構成の「汎用」DSPフロントエンド 図2では、LTC1564フィルタが16ビット、500kspsのAD コンバータLTC1608をドライブしており、利得とサンプ リング・レートが可変で、アナログ帯域幅が150kHzまで 可変の、柔軟性の高い、完全な16ビットアナログ-デジタル 信号インタフェースを構成しています。LTC1564の周波数 設定 “F” コードとLTC1608のCONVST入力 （ピン31） によっ て制御されるサンプリング・レートにより、信号の帯域幅と アンチエリアシング・フィルタ特性が設定されます。 図3に示します。LTC1564を使って40kHz、100mVRMS のサイン波を4.5VP-Pに予め増幅し、LTC1608 ADCの入 力範囲に近いスパンにしました。LTC1564はカットオフ 周波数と利得がそれぞれ50kHzと16V/Vに設定され、ADC のサンプリング周波数は204.8kHzです。全高調波歪み （THD）は86dB下で、ダイナミックレンジは109dBです （フィルタのノイズは利得にともなって増加しないので、プ ログラム可能なフィルタ利得はダイナミックレンジをユニ ティ・ゲインの範囲を超えて拡張します） 。 まとめ 一例として、L T C 1 5 6 4 のパスバンド・コーナー（f C ）を 100kHzに設定し、LTC1608によってサンプリング・レー ト （fS） を500kspsに設定すると、fS/2 （250kHz） のクリティ カル・アナログ・フォールディング周波数で100dBのアン チエリアシング保護を与えます。別の独立した選択肢とし て、5 • fCより低いレート （fS） でサンプリングします。こう すると、フォールディング周波数 （fS/2） が2.5 • fCからアナ ログ・フィルタのロールオフ・バンド内のどこかに移動する ので、フィルタの除去能力は100dBには達しません。この ため、fS/2以上の信号のアンチエリアス除去が低下します が、それでも多くのアプリケーションでは十分なアンチエリ アス保護を与えます。特に、多くの場合そうであるように、 fS/2以上のエリアス可能な信号がfC以下の所期の信号よりも レベルが低い場合、十分なアンチエリアス保護を与えます。 図2の回路は、適切なADCサンプリング・レートとフィルタ のFコードを選択することにより、これらの選択肢のどちら か、または両方を実現することができます。 高分解能アンチエリアシングに加えて、LTC1564はDAコ ンバータ （DAC） の出力の不必要な高周波信号スペクトルを 除去するリコンストラクション・フィルタとして役立ちま す。簡単で、小型で、経済的で、高性能なデジタル信号の 処理と発生のためのシステム・ハードウェアにはLTC1564 が2個と、ADCとDACがそれぞれ1個だけ必要です。 0 –20 AMPLITUDE (dB) –40 0.1µF –5V –120 –140 0 25.6 51.6 76.8 FREQUENCY (kHz) 102.4 図3．図2の回路のデジタル出力のFFTのプロット 0.1µF 1µF 2.2µF 3 V+ –80 –100 図2の回路のデジタル出力のFFTスペクトルの測定結果を 5V –60 EN V– 10Ω 36 AVDD VREF 1µF 5V 5V 35 AVDD 1µF 9 10 DVDD DGND SHDN 33 + IN LTC1608 LTC1564 CONTROL LOGIC AND TIMING INPUT – 4 REFCOMP AV 7.5k 1.75X + 2.5V REF CS 32 µP CONTROL LINES CONVST 31 RD 30 BUSY 27 22µF OVDD 29 249Ω 1% METAL FILM FC 1 AIN+ OUT 249Ω 1% METAL FILM C1* AGND CS/ HOLD RST F 2 AIN– + – OGND 28 16-BIT SAMPLING ADC AGND G 5 FILTER CONTROL *C1は1000pF NPOの表面実装デバイス。 *C1 IS A 1000pF NPO, SURFACE MOUNT DEVICE PLACE AS CLOSE AS POSSIBLE TO THE LTC1608 INPUT PINS LTC1608の入力ピンにできるだけ近づけて配置する 5V OR 3V 1µF AGND 6 DIFFERENTIAL ANALOG INPUT ±2.5V OUTPUT BUFFERS B15 TO B0 AGND 7 D15 TO D0 11 TO 26 AGND VSS 8 16-BIT PARALLEL BUS 34 DN276 F02 1µF –5V 図2．汎用DSPフロントエンド データシートのダウンロード http://www.linear-tech.co.jp/ds/j1564f.html お問い合わせは当社または下記代理店まで（50 音順） 東京エレクトロンデバイス株式会社 株式会社トーメンエレクトロニクス 株式会社マクニカ I&C カンパニー 〒 224-0045 横浜市都築区東方町 1 TEL(045)474-5114 FAX(045)474-5617 〒 108-8510 東京都港区港南 1-8-27 TEL(03)5462-9615 FAX(03)5462-9695 〒222-8561横浜市港北区新横浜1-6-3 TEL(045)470-9823 FAX(045)470-9824 リニアテクノロジー株式会社 102-0094 東京都千代田区紀尾井町 3-6秀和紀尾井町パークビル 8F TEL(03)5226-7291 FAX(03)5226-0268 http://www.linear-tech.co.jp dn276f 0102 34K • PRINTED IN JAPAN LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2002