深度解析 MAX7418–MAX7425：5 階低通開關(guān)電容濾波器的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理質(zhì)量。今天，我們將深入探討 Analog Devices 推出的 MAX7418–MAX7425 系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器（SCFs），詳細(xì)剖析其特點(diǎn)、性能指標(biāo)以及應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、器件概述

MAX7418–MAX7425 系列濾波器可分為兩組，MAX7418–MAX7421 采用 +5V 單電源供電，而 MAX7422–MAX7425 則使用 +3V 單電源。它們的功耗極低，工作模式下僅消耗 3mA 電流，且具備 0.2μA 的關(guān)斷模式電流，這使得它們?cè)诘凸膽?yīng)用中表現(xiàn)出色。該系列濾波器的角頻率范圍為 1Hz 至 45kHz，適用于低功耗 DAC 后置濾波和抗混疊等應(yīng)用。

二、關(guān)鍵特性

2.1 多種濾波響應(yīng)類型

• 橢圓響應(yīng)（Elliptic Response）：MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425 采用橢圓響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)陡峭的滾降和良好的阻帶抑制。例如，MAX7418/MAX7422 可提供 53dB 的阻帶抑制和 1.6 的過(guò)渡比，而 MAX7421/MAX7425 過(guò)渡比為 1.25，阻帶抑制可達(dá) 37dB。
• 貝塞爾響應(yīng)（Bessel Response）：MAX7419/MAX7423 為貝塞爾濾波器，具有低過(guò)沖和快速穩(wěn)定的特點(diǎn)，在需要快速響應(yīng)的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。
• 巴特沃斯響應(yīng)（Butterworth Response）：MAX7420/MAX7424 是巴特沃斯濾波器，提供最大平坦的通帶響應(yīng)，適合對(duì)通帶內(nèi)增益穩(wěn)定性要求較高的儀器儀表應(yīng)用。

2.2 時(shí)鐘可調(diào)角頻率

該系列濾波器支持兩種時(shí)鐘選項(xiàng)：自時(shí)鐘（通過(guò)外部電容）和外部時(shí)鐘。外部時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)更精確的角頻率控制，角頻率 (f{C}) 與時(shí)鐘頻率 (f{CLK}) 的關(guān)系為 (f{C}=f{CLK}/100)。

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

工作模式下電流僅 3mA，關(guān)斷模式下電流降至 0.2μA，大大降低了系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)了電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

2.4 輸出失調(diào)調(diào)整

通過(guò) OS 引腳可調(diào)整輸出失調(diào)，用戶可根據(jù)實(shí)際需求連接外部電源進(jìn)行失調(diào)調(diào)整，若無(wú)需調(diào)整則將 OS 連接到 COM 引腳。

三、性能指標(biāo)

3.1 絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓（VDD）：-0.3V 至 +6V
• 輸入、輸出引腳電壓：-0.3V 至 (VDD + 0.3V)
• 輸出短路持續(xù)時(shí)間：1s
• 連續(xù)功耗：在 (T_{A}=+70^{circ}C) 時(shí)，8 引腳 μMAX 封裝為 330mW，高于 +70°C 時(shí)以 4.1mW/°C 降額

3.2 工作溫度范圍

• MAX74__C_A：0°C 至 +70°C
• MAX74__E_A：-40°C 至 +85°C
• 結(jié)溫：+150°C
• 存儲(chǔ)溫度范圍：-65°C 至 +160°C
• 引腳焊接溫度（10s）：+300°C

3.3 電氣特性

不同型號(hào)的濾波器在角頻率范圍、時(shí)鐘 - 角頻率比、輸出失調(diào)電壓、總諧波失真加噪聲（THD + N）等方面有具體的性能指標(biāo)。例如，在 (V_{DD}=+5V) 時(shí)，MAX7418 的角頻率范圍為 0.001 至 30kHz，時(shí)鐘 - 角頻率比為 100:1，輸出失調(diào)電壓典型值為 ±4mV。

四、典型應(yīng)用

4.1 ADC 抗混疊

在 ADC 前端使用 MAX7418–MAX7425 濾波器可有效抑制高于奈奎斯特頻率的信號(hào)，防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生，提高 ADC 采樣的準(zhǔn)確性。

4.2 DAC 后置濾波

在 DAC 輸出端使用該系列濾波器可平滑輸出信號(hào)，減少高頻噪聲和失真，提高輸出信號(hào)的質(zhì)量。

4.3 CT2 基站語(yǔ)音處理

在 CT2 基站中，濾波器可對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，去除干擾信號(hào)，提高語(yǔ)音通信的質(zhì)量。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 時(shí)鐘信號(hào)

• 外部時(shí)鐘：濾波器設(shè)計(jì)用于 40% 至 60% 占空比的外部時(shí)鐘，使用時(shí)用 0 至 VDD 供電的 CMOS 門驅(qū)動(dòng) CLK 引腳，通過(guò)改變外部時(shí)鐘速率可調(diào)整濾波器的角頻率。
• 內(nèi)部時(shí)鐘：使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，CLK 引腳的電容 (C_{OSC}) 決定振蕩器頻率，不同型號(hào)的濾波器 (k) 值不同，如 MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425 的 (k = 87×10^{3})，MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424 的 (k = 110×10^{3})。

5.2 輸入阻抗

濾波器的輸入阻抗與時(shí)鐘頻率成反比，可通過(guò)公式 (Z{IN}=1/(f{CLK}×C{IN})) 估算，其中 (C{IN}=1pF)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使用輸出電阻小于濾波器輸入阻抗 10% 的驅(qū)動(dòng)器。

5.3 低功耗關(guān)斷模式

將 SHDN 引腳驅(qū)動(dòng)為低電平可激活關(guān)斷模式，此時(shí)濾波器供電電流降至 0.2μA，輸出呈高阻抗?fàn)顟B(tài)；將 SHDN 引腳驅(qū)動(dòng)為高電平或連接到 VDD 可正常工作。

5.4 輸入信號(hào)幅度范圍

通過(guò)觀察給定角頻率下信號(hào) - 噪聲加失真（SINAD）比最大時(shí)的電壓電平來(lái)確定最佳輸入信號(hào)范圍，典型工作特性圖展示了 THD + 噪聲隨輸入信號(hào)峰 - 峰幅度的變化情況。

5.5 抗混疊和 DAC 后置濾波

在進(jìn)行抗混疊或 DAC 后置濾波時(shí)，需同步 DAC（或 ADC）和濾波器的時(shí)鐘，否則拍頻可能會(huì)混疊到所需通帶內(nèi)。

六、總結(jié)

MAX7418–MAX7425 系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器憑借其多種濾波響應(yīng)類型、時(shí)鐘可調(diào)角頻率、低功耗設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，在低功耗、高精度的信號(hào)處理應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)，并注意時(shí)鐘信號(hào)、輸入阻抗、輸入信號(hào)幅度等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮該系列濾波器的性能。你在使用這類濾波器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。