MAX280/MXL1062：5階零直流誤差低通濾波器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器是信號(hào)處理中不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們將深入探討一款性能卓越的濾波器——MAX280/MXL1062 5階零直流誤差低通濾波器，詳細(xì)剖析其特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX280/MXL1062 是一款 5 階全極點(diǎn)儀表低通濾波器，具有零直流誤差的顯著特點(diǎn)。它通過(guò)外部電阻和電容將集成電路與直流信號(hào)路徑隔離，從而實(shí)現(xiàn)了出色的直流精度。該濾波器擁有諸多吸引人的特性：

1. 零直流誤差：確保了在處理直流信號(hào)時(shí)的高精度。
2. 低通帶噪聲：有效減少了通帶內(nèi)的噪聲干擾。
3. 截止頻率范圍廣：從直流到 20kHz，能滿足多種不同的應(yīng)用需求。
4. 可級(jí)聯(lián)性：兩個(gè) MAX280/MXL1062 可以級(jí)聯(lián)形成 10 階低通濾波器，進(jìn)一步提高濾波性能。
5. 多種封裝選擇：提供 8 引腳 DIP 或 16 引腳 SOIC 封裝，方便不同的 PCB 布局設(shè)計(jì)。

二、技術(shù)參數(shù)與特性

（一）時(shí)鐘與截止頻率

濾波器的截止頻率由內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置，且時(shí)鐘可外部驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘與截止頻率的比率為 100:1，這使得時(shí)鐘紋波易于去除。例如，若需要 10kHz 的截止頻率，只需提供 1MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。

（二）增益特性

在不同的輸入頻率下，濾波器具有特定的增益表現(xiàn)。如在 fIN = 0、0.5fC、fC、2fC 和 4fC 等不同頻率點(diǎn)，增益會(huì)有相應(yīng)的變化，這些數(shù)據(jù)可在電氣特性表中詳細(xì)查看。

（三）引腳功能

各引腳具有明確的功能：

• FB：外部電容通過(guò)此引腳與芯片耦合。
• AGND：雙電源操作的接地引腳，單電源操作時(shí)連接到系統(tǒng)或中間電源。
• V -：負(fù)電源電壓引腳。
• DIVIDER RATIO：用于設(shè)置時(shí)鐘與截止頻率的比率，通過(guò)連接不同的電壓（V +、GND、V -）可實(shí)現(xiàn) 100:1、200:1 和 400:1 的比率。
• Cosc：外部時(shí)鐘的時(shí)鐘輸入引腳，內(nèi)部時(shí)鐘操作時(shí)需在此引腳和地之間連接外部電容。
• V +：正電源電壓引腳。
• OUT：片上緩沖放大器的輸入引腳。
• BouT：緩沖放大器的輸出引腳。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）時(shí)鐘源選擇

1. 內(nèi)部振蕩器

內(nèi)部 140kHz（標(biāo)稱）的振蕩器頻率可通過(guò)在 Cosc 引腳與地（或 V -）之間連接外部電容來(lái)修改。計(jì)算公式為： [f{O S C}=140 kHzleft(33 pF /left(33 pF+C{OSC}right)right)] 由于工藝公差，MXL1062 中 fosc 可變化 ±62.5%，而 MAX280 通過(guò)片上調(diào)諧將 fosc 公差降低到 ±19.5%。還可通過(guò)在電容和 Cosc 引腳之間添加串聯(lián)電位器來(lái)調(diào)整振蕩器頻率，新頻率計(jì)算公式為： [f{osc }=f{osc } /left(1-4 R C{osc } f{osc }right)]

2. 外部時(shí)鐘

若使用外部時(shí)鐘，Cosc 引腳的輸入必須接近電源軌（V +、V -）。不同電源電壓下，內(nèi)部施密特觸發(fā)器感應(yīng) Cosc 引腳的典型觸發(fā)電平不同。

（二）外部電阻和電容選擇

外部電阻和電容作為濾波器反饋回路的一部分，同時(shí)形成一個(gè)極點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)最大平坦度（如巴特沃斯濾波器），時(shí)鐘應(yīng)是所需截止頻率的 100 倍，且滿足 (frac{f_{C}}{1.62}=frac{1}{2 pi R C})。通常 R 選擇在 20k 左右，其最小值取決于最大輸入信號(hào)和 FB 引腳的電流吸收能力。對(duì)于寬溫度范圍應(yīng)用，推薦使用 NPO 陶瓷電容器，因其溫度系數(shù)約為 ±20ppm。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）抗混疊濾波

在采樣系統(tǒng)中，該濾波器可有效防止信號(hào)混疊，確保采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性。

（二）數(shù)據(jù)記錄器

用于記錄模擬信號(hào)時(shí)，可去除高頻噪聲，提高數(shù)據(jù)記錄的質(zhì)量。

（三）數(shù)字電壓表

保證測(cè)量的直流精度，減少噪聲干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

（四）稱重秤和應(yīng)變計(jì)

在這些對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中，零直流誤差的特性可確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

五、電路設(shè)計(jì)實(shí)例

（一）單電源操作

單電源操作時(shí)，AGND 引腳和 OUT 引腳應(yīng)偏置在 1/2 電源。電阻 R1 和 R2 的值應(yīng)選擇為導(dǎo)通 100uA 或更多。若輸入電壓的直流值接近 1/2 電源，則不需要 R' 和 C'。同時(shí)，AGND 引腳應(yīng)通過(guò)去耦電容旁路。

（二）級(jí)聯(lián)應(yīng)用

兩個(gè) MAX280/MXL1062 可級(jí)聯(lián)形成更高階的濾波器。簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)時(shí)，第一個(gè)芯片的無(wú)緩沖輸出直接驅(qū)動(dòng)下一級(jí)輸入；若使用緩沖輸出驅(qū)動(dòng)下一級(jí)輸入，可減少負(fù)載影響，降低通帶增益誤差。

（三）陷波濾波器設(shè)計(jì)

利用 MAX280/MXL1062 在通帶內(nèi) -180° 相移的特性，可創(chuàng)建陷波濾波器。通過(guò)將輸入信號(hào)與濾波器輸出相加，可在特定頻率處形成陷波。例如，要獲得 60Hz 陷波，時(shí)鐘頻率應(yīng)為 7.098kHz。

六、總結(jié)

MAX280/MXL1062 5 階零直流誤差低通濾波器以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在信號(hào)處理領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，合理選擇時(shí)鐘源、外部電阻和電容，以及靈活運(yùn)用其級(jí)聯(lián)和陷波等功能，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂眠@款濾波器時(shí)提供有益的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似濾波器的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。