Agregar un filtro anti-aliasing al amplificador operacional antes de ADC

Estoy diseñando un circuito destinado a capturar muestras de audio de múltiples canales para la localización de la fuente de sonido.

Cada canal tiene el siguiente circuito de amplificador operacional de 2 etapas, antes de entrar en un ADC de 13 bits:

Me gustaría poder localizar fuentes de sonido de hasta aproximadamente 10 kHz, pero cuanto mayor sea el ancho de banda, mejor (creo que los micrófonos de condensador pueden manejar hasta aproximadamente 16 kHz, no 100% seguro)

Cuanto más rápido muestree, mejor será la resolución espacial que pueda obtener. Puedo exprimir una frecuencia de muestreo de aproximadamente 75 kHz.

Pregunta ¿Debo preocuparme por los filtros anti-aliasing antes del ADC? Según tengo entendido, el alias solo ocurre cuando opera por debajo del límite de Nyquist, por lo que un componente teórico de frecuencia máxima de 75KHz / 2 sería mi límite, que es mucho más alto de lo que necesito.

Si no necesito ningún filtro anti-aliasing, ¿hay algo más que deba hacer para eliminar el ruido no deseado en la salida? Cuando miro en un osciloscopio parece estar bien, pero esto es solo con 1 canal incorporado, me preocupa cuando agrego los cinco canales en la misma placa que van a interferir entre sí.

Siempre es una buena práctica usar un filtro anti-alias antes de digitalizar una señal. Aunque su señal objetivo no contiene componentes de frecuencia por encima de la velocidad de Nyquist, puede haber otras fuentes de ruido que sí lo hagan.

En primer lugar, debe decidir qué ancho de banda desea cubrir. Si su ADC muestrea a 75kHz, entonces no debería haber frecuencias por encima de 37.5kHz. A continuación, calculamos la atenuación y el orden necesarios de su filtro antisolapamiento. Para esto considere la siguiente figura:

Esta figura presenta dos casos, uno con una frecuencia de muestreo fs y otro con K * fs . Debido al muestreo de la señal de entrada (mezcla digital), todos los componentes de frecuencia superiores a fs / 2 serán "plegados" hacia atrás. Los componentes de frecuencia superiores a fs-fa se alias en la señal de interés (rojo).
En la figura (A), suponemos que desea muestrear una señal con un ancho de banda ( fa ) cercano a la velocidad de Nyquist ( fs / 2 ). Para garantizar un cierto rango dinámico (DR), necesitamos una caída brusca, por ejemplo, un filtro alto o atenuado que atenúe cualquier ruido con frecuencias superiores a fs-fa . En la figura (B) usamos una frecuencia de muestreo más alta ( K * fs) que relaja el orden requerido del filtro y simplifica el diseño del circuito.

Como mencionó, su ADC tiene una resolución de 13dB. Su SNR (relación de señal a ruido) ideal o en este caso su DR es entonces:

Por lo tanto, en el caso ideal, desea una atenuación de al menos 80dB en fs-fa . Un filtro de paso bajo de primer orden básico tiene una atenuación de 20dB / dec. Si restringe el ancho de banda de su señal a 20 kHz, su frecuencia de muestreo ideal es de 200 MHz.

Para satisfacer esta restricción con su frecuencia de muestreo de 75 kHz, necesitaría un filtro de paso bajo de 8º orden. Esto es ciertamente mucho, pero todos estos cálculos suponen una amplitud de ruido igual a su señal de interés. En la práctica, un filtro de segundo o tercer orden probablemente sea suficiente.

Para obtener información adicional, consulte: W. Kester, Manual de conversión de datos: dispositivos analógicos. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

¿Debo preocuparme por los filtros anti-aliasing antes del ADC

A menos que su ADC tenga un filtro anti-alias incorporado, entonces sí, debe cuidarlo incluso si solo está interesado en frecuencias por debajo del límite de nyqist.

La razón es que las frecuencias más altas que el límite de nyquist se pliegan (espejo) nuevamente dentro de su rango de frecuencia de interés. Por ejemplo, si está muestreando a 20khz y su micrófono de condensador capta audio a 15khz, encontrará una fuerte señal de 5khz en sus datos muestreados.

Como ya está usando opamps, puede agregar fácilmente un filtro de paso bajo barato al circuito existente. Para hacerlo, simplemente coloque un condensador en paralelo a R6 y R7. Actuarán como una baja resistencia a las altas frecuencias y reducirán la ganancia general, sin afectar las bajas frecuencias. Esto ya ayudará un poco a atenuar los componentes de alta frecuencia y reducir el alias.

Si desea un mejor rendimiento, consulte los filtros de paso bajo sallen-key. Se puede construir un filtro de tercer orden alrededor de un solo opamp.

En cuanto a su circuito en general: si está alimentando los opamps TL64 desde su único suministro de 5V, eso no funcionará. Superas varios parámetros de la hoja de datos. Lo más notable es que solo tiene la mitad del voltaje de suministro mínimo. Además, los opamps TL64 tienen un rango de voltaje de salida mínimo garantizado que está a 4 V de distancia de los rieles, por lo que incluso con un suministro de 10 V su señal se limitaría a una pequeña banda de 2 V.

Le sugiero que elija un opamp para la operación de suministro único como el LM358 (TSH80 / TSH84 es una actualización moderna) o utilice un opamp de riel a riel.