MAX7418 - MAX7425：5 階低通開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器的選擇和應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們來詳細(xì)探討 Analog Devices 公司的 MAX7418 - MAX7425 系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器（SCFs），它在低功耗后 DAC 濾波和抗混疊應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX7418 - MAX7425 系列濾波器可在單 +5V（MAX7418 - MAX7421）或 +3V（MAX7422 - MAX7425）電源下工作，僅消耗 3mA 電源電流，且轉(zhuǎn)角頻率范圍為 1Hz 至 45kHz，非常適合低功耗應(yīng)用。該系列還具備關(guān)機(jī)模式，可將電源電流降至 0.2μA。此外，它提供兩種時(shí)鐘選項(xiàng)：自時(shí)鐘（通過使用外部電容）或外部時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)更精確的轉(zhuǎn)角頻率控制，并且設(shè)有偏移調(diào)整引腳，可調(diào)整直流輸出電平。

二、濾波器類型與特性

1. 橢圓濾波器（MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425）

橢圓低通濾波器具有陡峭的滾降特性和良好的阻帶抑制能力。例如，MAX7418/MAX7422 可實(shí)現(xiàn) 53dB 的阻帶抑制，過渡比為 1.6；MAX7421/MAX7425 的過渡比為 1.25，滾降更陡峭，同時(shí)仍能提供 37dB 的阻帶抑制。

2. 貝塞爾濾波器（MAX7419/MAX7423）

貝塞爾濾波器能對(duì)所有頻率分量進(jìn)行均勻延遲，可保持階躍輸入的波形形狀（受高頻衰減影響），且具有快速穩(wěn)定的響應(yīng)，這一特性在使用多路復(fù)用器選擇輸入信號(hào)的 ADC 應(yīng)用中尤為重要。

3. 巴特沃斯濾波器（MAX7420/MAX7424）

巴特沃斯濾波器具有最大平坦的通帶響應(yīng)，非常適合需要在整個(gè)通帶內(nèi)與直流增益偏差最小的儀器應(yīng)用。

三、電氣特性

1. 頻率相關(guān)特性

• 轉(zhuǎn)角頻率范圍：不同型號(hào)的轉(zhuǎn)角頻率范圍有所不同，如 MAX7418 - MAX7421 在特定條件下，轉(zhuǎn)角頻率范圍為 0.001 至 30kHz；MAX7422 - MAX7425 在特定輸入信號(hào)幅度下，轉(zhuǎn)角頻率范圍可達(dá) 100:1 至 45kHz。
• 時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角頻率比：所有型號(hào)均采用 100:1 的時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角頻率比，即 (f{C}=frac{f{CLK}}{100})。
• 時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角溫度系數(shù)：約為 10ppm/°C，保證了在不同溫度環(huán)境下頻率特性的穩(wěn)定性。

2. 輸出特性

• 輸出電壓范圍：通常為 0.25VDD - 0.25。
• 輸出偏移電壓：一般為 ±4mV，可通過偏移調(diào)整引腳進(jìn)行調(diào)整。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：在不同輸入頻率和幅度下，各型號(hào)的 THD + N 表現(xiàn)有所差異，整體表現(xiàn)良好，能滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

3. 電源特性

• 電源電壓：MAX7418 - MAX7421 為 4.5 - 5.5V，MAX7422 - MAX7425 為 2.7 - 3.6V。
• 電源電流：工作模式下，不同型號(hào)的電源電流在 2.6 - 4.1mA 之間；關(guān)機(jī)模式下，電流可降至 0.2 - 1μA。
• 電源抑制比（PSRR）：約為 70dB，能有效抑制電源波動(dòng)對(duì)濾波器性能的影響。

四、時(shí)鐘信號(hào)

1. 外部時(shí)鐘

該系列濾波器設(shè)計(jì)用于使用占空比為 40% - 60% 的外部時(shí)鐘。使用外部時(shí)鐘時(shí)，通過 CMOS 門從 0 至 VDD 驅(qū)動(dòng) CLK 引腳，改變外部時(shí)鐘速率即可調(diào)整濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。

2. 內(nèi)部時(shí)鐘

使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，CLK 引腳的電容（Cosc）決定振蕩器頻率，不同型號(hào)的計(jì)算公式有所不同。例如，MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425 的 (f{OSC(kHz)}=frac{87×10^{3}}{C{OSC}(pF)})。為確保內(nèi)部振蕩器頻率的準(zhǔn)確性，需盡量減小 CLK 引腳的雜散電容。

五、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 輸入信號(hào)幅度范圍

最佳輸入信號(hào)范圍可通過觀察給定轉(zhuǎn)角頻率下信號(hào) - 噪聲加失真（SINAD）比最大時(shí)的電壓電平來確定。典型工作特性曲線展示了 THD + 噪聲隨輸入信號(hào)峰 - 峰幅度的變化情況。

2. 抗混疊和后 DAC 濾波

在用于抗混疊或后 DAC 濾波時(shí)，需同步 DAC（或 ADC）和濾波器時(shí)鐘，否則拍頻可能會(huì)混疊到所需通帶內(nèi)。

3. 偏移和共模輸入調(diào)整

COM 引腳設(shè)置共模輸入電壓，通常通過內(nèi)部電阻分壓器偏置在電源中點(diǎn)。若不需要偏移調(diào)整，可將 OS 引腳連接到 COM 引腳；若需要調(diào)整輸出偏移，可通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將外部偏置電壓施加到 OS 引腳。

4. 電源供應(yīng)

MAX7418 - MAX7421 使用 +5V 單電源，MAX7422 - MAX7425 使用 +3V 單電源。需使用 0.1μF 電容將 VDD 引腳旁路到地。若需要雙電源供電，可將 COM 引腳連接到系統(tǒng)地，GND 引腳連接到負(fù)電源。

六、總結(jié)

MAX7418 - MAX7425 系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器憑借其豐富的濾波器類型、良好的電氣特性和靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)，為電子工程師在低功耗、抗混疊和后 DAC 濾波等應(yīng)用中提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇濾波器型號(hào)，并注意時(shí)鐘同步、輸入信號(hào)幅度范圍和電源供應(yīng)等問題，以充分發(fā)揮該系列濾波器的性能優(yōu)勢(shì)。

你在使用這類濾波器時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。