ADCの前にオペアンプにアンチエイリアスフィルターを追加する

音源定位のために複数のチャンネルからオーディオサンプルをキャプチャすることを目的とした回路を設計しています。

各チャネルには、13ビットADCに入る前に、次の2段オペアンプ回路があります。

音源を最大10KHzまで定位できるようにしたいのですが、帯域幅が広いほど良いです（コンデンサーマイクは最大で約16KHzを処理できると思いますが、100％確実ではありません）。

サンプリングが速いほど、空間分解能が向上します。約75KHzのサンプルレートを絞ることができます。

質問 ADCの前にアンチエイリアスフィルターについて心配する必要がありますか？私が理解しているように、エイリアシングはナイキスト制限以下で操作した場合にのみ発生するため、理論上の最大周波数成分である75KHz / 2が私の制限となり、必要以上に高くなります。

アンチエイリアシングフィルターが必要ない場合、出力の不要なノイズを除去するために他に何をする必要がありますか？スコープを見ると問題ないようですが、これは1つのチャネルが構築されている場合のみです。同じボードに5つのチャネルすべてを追加すると、互いに干渉するのではないかと心配しています。

信号をデジタル化する前にアンチエイリアシングフィルターを使用することは常に良い習慣です。ターゲット信号にはナイキストレートを超える周波数成分は含まれていませんが、他のノイズ源が含まれている可能性があります。

まず、どの帯域幅をカバーするかを決定する必要があります。ADCが75kHzでサンプリングする場合、37.5kHz以上の周波数があってはなりません。次に、アンチエイリアシングフィルターの必要な減衰と次数を計算します。このため、次の図を検討してください。

この図は、サンプリングレートがfsの場合とK * fsの場合の2つのケースを示しています。入力信号のサンプリング（デジタルミキシング）により、fs / 2より高いすべての周波数成分は「フォールドバック」されます。fs-faより高い周波数成分は、目的の信号（赤）にエイリアスされます。
図（A）では、ナイキストレート（fs / 2）に近い帯域幅（fa）の信号をサンプリングするとします。特定のダイナミックレンジ（DR）を保証するには、急激なロールオフが必要です。たとえば、fs-faよりも高い周波数のノイズを減衰させる高フィルターオーダー。図（B）では、より高いサンプリングレート（K * fs）フィルターの必要な次数を緩和し、回路設計を簡素化します。

おっしゃったように、ADCの分解能は13dBです。理想的なSNR（信号対雑音比）またはこの場合、DRは次のようになります。

したがって、理想的なケースでは、fs-faで少なくとも80dBの減衰が必要です。基本的な1次ローパスフィルターの減衰は20dB / decです。信号帯域幅を20kHzに制限すると、理想的なサンプリング周波数は200MHzになります。

75kHzのサンプリングレートでこの制限を満たすには、8次のローパスフィルターが必要です。これは確かに多くありますが、これらすべての計算では、対象の信号と同じ振幅のノイズを想定しています。実際には、2次または3次のフィルターで十分です。

追加情報については、W。Kester、データ変換ハンドブック：アナログデバイスを参照してください 。アムステルダムUA：Elsevier Newnes、2005年。

ADCの前にアンチエイリアシングフィルターについて心配する必要がありますか

ADCにアンチエイリアシングフィルターが組み込まれていない限り、そうです。nyqist制限以下の周波数のみに関心がある場合でも、注意する必要があります。

その理由は、ナイキスト限界よりも高い周波数が目的の周波数範囲に折り返される（ミラー）ためです。たとえば、20khzでサンプリングしていて、コンデンサーマイクが15khzでオーディオを拾う場合、サンプルデータに強い5khz信号が見つかります。

オペアンプをすでに使用しているので、既存の回路に安価なローパスフィルターを簡単に追加できます。そのためには、コンデンサをR6とR7に並列に接続するだけです。それらは高周波数に対する低抵抗として機能し、低周波数に影響を与えずに全体のゲインを下げます。これはすでに高周波成分を減衰させ、エイリアシングを下げるのに役立ちます。

より良いパフォーマンスが必要な場合は、サレンキーローパスフィルターをチェックしてください。3次フィルタは、単一のオペアンプを中心に構築できます。

回路全般について：TL64オペアンプに5Vの単一電源のみから電力を供給している場合、機能しません。データシートのいくつかのパラメーターを超えています。最も注目に値するのは、最小電源電圧が半分しかないことです。また、TL64オペアンプは、レールから4V離れた最小保証出力電圧範囲を備えているため、10V電源を使用しても、信号は小さな2V帯域に制限されます。

LM358（TSH80 / TSH84は最新のアップグレードです）のような単一電源動作用のオペアンプを選択するか、レールツーレールオペアンプを使用することをお勧めします。