深入解析MF10 - N通用單片雙開關(guān)電容濾波器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，濾波器是不可或缺的重要組件。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的MF10 - N通用單片雙開關(guān)電容濾波器，它在眾多電子系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。

文件下載：MF10ACN.pdf

一、產(chǎn)品概述

MF10 - N由兩個獨立且易于使用的通用CMOS有源濾波器構(gòu)建模塊組成。每個模塊搭配外部時鐘和3到4個電阻，就能產(chǎn)生各種二階函數(shù)。每個構(gòu)建模塊有3個輸出引腳，其中一個輸出可配置為實現(xiàn)全通、高通或陷波功能，另外兩個輸出引腳則執(zhí)行低通和帶通功能。

該濾波器的中心頻率有多種依賴方式，低通和帶通二階函數(shù)的中心頻率可直接依賴時鐘頻率，也可同時依賴時鐘頻率和外部電阻比；陷波和全通功能的中心頻率直接依賴時鐘頻率，高通中心頻率則依賴電阻比和時鐘。通過級聯(lián)兩個二階構(gòu)建模塊，MF10 - N最多可實現(xiàn)四階函數(shù)；若要實現(xiàn)更高階函數(shù)，則可級聯(lián)多個MF10 - N封裝。而且，它能形成任何經(jīng)典的濾波器配置，如巴特沃斯、貝塞爾、考爾和切比雪夫濾波器。

二、產(chǎn)品特性

2.1 易用性

MF10 - N的設(shè)計使得它非常容易使用，工程師只需搭配外部時鐘和少量電阻，就能輕松實現(xiàn)所需的濾波器功能。

2.2 高精度

時鐘與中心頻率比的精度高達(dá)±0.6%，能為濾波器設(shè)計提供準(zhǔn)確的頻率控制。

2.3 穩(wěn)定性

濾波器截止頻率的穩(wěn)定性直接取決于外部時鐘質(zhì)量，確保了在不同環(huán)境下濾波器性能的穩(wěn)定。

2.4 低靈敏度

對外部組件變化的低靈敏度，使得濾波器在組件參數(shù)發(fā)生一定變化時，仍能保持較好的性能。

2.5 多輸出類型

具備獨立的高通（或陷波或全通）、帶通、低通輸出，滿足不同的信號處理需求。

2.6 寬頻率范圍

fO × Q范圍高達(dá)200 kHz，工作頻率可達(dá)30 kHz，適用于多種頻率應(yīng)用場景。

2.7 多種封裝形式

提供20引腳0.3″寬PDIP封裝和20引腳表面貼裝（SOIC）寬體封裝，方便不同的電路板設(shè)計需求。

三、電氣參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

• 電源電壓（V+ ? V?）：14V
• 任意引腳電壓：V+ + 0.3V至V? ? 0.3V
• 任意引腳輸入電流：5 mA
• 封裝輸入電流：20 mA
• 功耗：500 mW
• 存儲溫度：150°C
• ESD敏感度：2000V

3.2 工作額定值

不同型號的MF10 - N（如MF10ACN、MF10CCN、MF10CCWM）工作溫度范圍為0°C至70°C。

3.3 電氣特性

在V+ = +5.00V和V? = ?5.00V的條件下，有一系列詳細(xì)的電氣參數(shù)，如中心頻率范圍、時鐘頻率范圍、時鐘與中心頻率比偏差、直流偏移電壓等。例如，中心頻率范圍為0.1 Hz至30 kHz，時鐘頻率范圍為5.0 Hz至1.5 MHz。

四、引腳描述

4.1 輸出引腳

LP(1,20)、BP(2,19)、N/AP/HP(3,18)分別為二階低通、帶通和陷波/全通/高通輸出，這些輸出通常能吸收1.5 mA電流并提供3 mA電流，每個輸出通常能擺動到離每個電源1V以內(nèi)。

4.2 輸入引腳

• INV(4,17)：每個濾波器求和運算放大器的反相輸入，為高阻抗輸入。
• S1(5,16)：用于全通濾波器配置的信號輸入引腳，驅(qū)動源阻抗應(yīng)小于1 kΩ。
• SA/B(6)：激活開關(guān)，可將每個濾波器第二個求和器的一個輸入連接到AGND或低通（LP）輸出，提供濾波器配置的靈活性。

4.3 電源引腳

• VA +(7)、VD +(8)：模擬正電源和數(shù)字正電源，內(nèi)部通過IC基板連接，可由同一電源源派生，也可分別旁路電容。
• VA ?(14)、VD ?(13)：模擬和數(shù)字負(fù)電源，與VA +和VD +類似。

4.4 其他引腳

• LSh(9)：電平轉(zhuǎn)換引腳，可適應(yīng)不同的時鐘電平。
• CLKA(10)、CLKB(11)：每個開關(guān)電容濾波器構(gòu)建模塊的時鐘輸入，時鐘占空比應(yīng)接近50%，尤其是在使用高于200 kHz的時鐘頻率時。
• 50/100/CL(12)：通過連接該引腳的不同電平，可獲得50:1或100:1的時鐘與濾波器中心頻率比，連接低電平時可觸發(fā)電流限制電路。
• AGND(15)：模擬接地引腳，雙電源操作時應(yīng)連接到系統(tǒng)接地，單電源操作時應(yīng)偏置到中間電源。

五、工作模式

MF10 - N有多種工作模式，每種模式都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。

5.1 模式1：陷波1、帶通、低通輸出

fnotch = fO，適用于需要特定陷波頻率的應(yīng)用。

5.2 模式1a：非反相帶通、低通

需要輸入緩沖，高Q值時動態(tài)性能較差。

5.3 模式2：陷波2、帶通、低通

fnotch < fO，可實現(xiàn)不同陷波頻率的需求。

5.4 模式3：高通、帶通、低通輸出

通用狀態(tài)變量濾波器，是最常用的通用模式。

5.5 模式3a：高通、帶通、低通和陷波（帶外部運算放大器）

除了基本的濾波功能，還包括可調(diào)節(jié)的陷波。

5.6 模式4：全通、帶通、低通輸出

可實現(xiàn)全通響應(yīng)，但由于采樣數(shù)據(jù)特性，全通濾波器幅度響應(yīng)在fO附近會有0.4 dB的峰值。

5.7 模式5：分子復(fù)零點、帶通、低通

當(dāng)R1 = R2 = 0.02R4時，可提供更平坦的全通響應(yīng)。

5.8 模式6a：單極點、高通、低通濾波器

實現(xiàn)單極點濾波功能。

5.9 模式6b：單極點低通濾波器（反相和非反相）

具有不同的低通濾波特性。

六、應(yīng)用信息

6.1 頻率控制

MF10 - N的中心頻率與施加到時鐘輸入的方波頻率（fCLK）成正比。通過將引腳12連接到適當(dāng)?shù)闹绷麟妷海瑸V波器中心頻率fO可以設(shè)置為fCLK/100或fCLK/50。使用晶體時鐘振蕩器可以非常精確地設(shè)置fO（誤差在±6%以內(nèi)），也可以通過調(diào)整時鐘頻率輕松改變fO。

6.2 濾波器構(gòu)建

可以使用MF10 - N的任一模塊構(gòu)建五種二階濾波器類型，當(dāng)需要更高階濾波器時，可級聯(lián)多個MF10 - N模塊。

6.3 設(shè)計示例

以設(shè)計一個四階切比雪夫低通濾波器為例，我們需要確定三個參數(shù)：f0（濾波器部分的中心頻率）、H0（通帶增益）和濾波器的Q值。通過查閱濾波器設(shè)計表，確定每個二階濾波器部分的fO和Q值，然后根據(jù)這些值選擇合適的電阻。在設(shè)計多二階濾波器時，通常將Q值較低的階段放在Q值較高的階段之前，以避免信號削波。

七、單電源操作

MF10 - N也可以使用單端電源供電。在單電源操作時，VA +和VD +連接到正電源（8V至14V），VA ?和VD ?連接到地，AGND引腳必須連接到V+/2。這個半電源點需要非?！案蓛簟?，可以通過電阻對和旁路電容、三端穩(wěn)壓器或運算放大器來獲得。同時，主電源電壓應(yīng)干凈（最好經(jīng)過調(diào)節(jié)）并使用0.1 μF電容旁路。

八、動態(tài)考慮

MF10 - N的最大信號處理能力受電源電壓限制。放大器的輸出能夠擺動到離電源約1V以內(nèi)，因此輸入信號必須足夠小，以確保輸出不超過這些限制。當(dāng)濾波器Q值較高時，低通或高通輸出的增益會遠(yuǎn)大于標(biāo)稱濾波器增益，需要注意避免信號削波。同時，一個輸出飽和可能會影響其他輸出的性能，因此要避免任何濾波器部分過載。

九、偏移電壓

文檔中提到了內(nèi)部偏移電壓VOS1、VOS2和VOS3，這些偏移電壓會影響濾波器的性能，在設(shè)計時需要考慮其對電路的影響。

總之，MF10 - N是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活的通用濾波器，工程師在使用時需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇工作模式、配置電阻和時鐘，以實現(xiàn)最佳的濾波效果。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似濾波器的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。