MAX7418–MAX7425：5階低通開關(guān)電容濾波器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器的性能往往對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信號質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。今天要給大家介紹的是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、高性能等方面有著出色的表現(xiàn)，適用于多種應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX7418–MAX7425系列濾波器可分為兩組，MAX7418–MAX7421采用單+5V電源供電，而MAX7422–MAX7425則使用單+3V電源。其工作電流僅為3mA，截止頻率范圍從1Hz到45kHz，這使得它在低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）后置濾波和抗混疊應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。同時(shí)，該系列具備關(guān)機(jī)模式，可將電源電流降至0.2μA，進(jìn)一步節(jié)省能耗。

在時(shí)鐘選項(xiàng)方面，用戶可以選擇自時(shí)鐘模式（通過使用外部電容）或外部時(shí)鐘模式，以實(shí)現(xiàn)更精確的截止頻率控制。此外，還有一個(gè)偏移調(diào)整引腳，可用于調(diào)整直流輸出電平。

二、不同類型濾波器特性

1. 橢圓濾波器（Elliptic）

MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425屬于橢圓低通濾波器，具有陡峭的過渡特性和良好的阻帶抑制能力。其中，MAX7418/MAX7422的過渡比為1.6，典型阻帶抑制為53dB；MAX7421/MAX7425的過渡比為1.25，過渡更為陡峭，典型阻帶抑制為37dB。橢圓濾波器特別適用于單電源系統(tǒng)中的抗混疊和DAC后置濾波應(yīng)用。

2. 貝塞爾濾波器（Bessel）

MAX7419/MAX7423是貝塞爾低通濾波器，它能夠?qū)λ蓄l率成分進(jìn)行均勻延遲，保持階躍輸入的波形形狀（受高頻衰減影響）。貝塞爾濾波器的快速穩(wěn)定特性使其在使用多路復(fù)用器（mux）選擇輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）應(yīng)用中非常重要。

3. 巴特沃斯濾波器（Butterworth）

MAX7420/MAX7424為巴特沃斯低通濾波器，提供了最大平坦的通帶響應(yīng)，這使其非常適合需要在整個(gè)通帶內(nèi)保持與直流增益最小偏差的儀器儀表應(yīng)用。

三、時(shí)鐘信號選擇

1. 外部時(shí)鐘

該系列濾波器設(shè)計(jì)用于占空比為40% - 60%的外部時(shí)鐘。使用外部時(shí)鐘時(shí)，需用由0到VDD供電的CMOS門驅(qū)動(dòng)CLK引腳。通過改變外部時(shí)鐘的速率，可以調(diào)整濾波器的截止頻率，公式為：(f{C}=frac{f{CLK}}{100})。

2. 內(nèi)部時(shí)鐘

當(dāng)使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，CLK引腳的電容（(C{OSC})）決定了振蕩器的頻率。不同型號的計(jì)算公式有所不同，對于MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425，(f{OSC(kHz)}=frac{87×10^{3}}{C{OSC}(pF)})；對于MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424，(f{OSC(kHz)}=frac{110×10^{3}}{C{OSC}(pF)})。由于(C{OSC})的值處于低皮法級別，因此需要盡量減小CLK引腳的雜散電容，以避免影響內(nèi)部振蕩器的頻率。同樣，通過改變內(nèi)部振蕩器的速率，可按100:1的時(shí)鐘與截止頻率比調(diào)整濾波器的截止頻率。

四、輸入阻抗與時(shí)鐘頻率關(guān)系

MAX7418–MAX7425的輸入阻抗實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)電容電阻，其與頻率成反比。輸入阻抗可以通過公式(Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} × C{IN})})估算，其中(C{IN}=1 pF)。由于輸入電流不連續(xù)，該公式計(jì)算出的值代表平均輸入阻抗。在設(shè)計(jì)時(shí)，建議使用輸出電阻小于濾波器輸入阻抗10%的驅(qū)動(dòng)源。

五、低功耗關(guān)機(jī)模式

該系列濾波器具備關(guān)機(jī)模式，只需將SHDN引腳驅(qū)動(dòng)為低電平即可激活。在關(guān)機(jī)模式下，濾波器的電源電流降至0.2μA，輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。要恢復(fù)正常操作，將SHDN引腳驅(qū)動(dòng)為高電平或連接到VDD即可。

六、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 偏移和共模輸入調(diào)整

COM引腳用于設(shè)置共模輸入電壓，它通過內(nèi)部電阻分壓器偏置在電源中點(diǎn)。如果不需要偏移調(diào)整，可將OS引腳連接到COM引腳。對于需要偏移調(diào)整的應(yīng)用，可通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)向OS引腳施加外部偏置電壓。輸出電壓可由公式(V{OUT }=(V{IN }-V{COM })+V{OS})表示，其中(V{COM}=frac{V{DD}}{2}) 。需要注意的是，大幅改變COM或OS引腳的電壓會降低動(dòng)態(tài)范圍。

2. 電源供應(yīng)

MAX7418–MAX7421使用單+5V電源，MAX7422–MAX7425使用單+3V電源。在設(shè)計(jì)時(shí)，需用0.1μF的電容將VDD引腳旁路到GND。如果需要雙電源供電，可將COM引腳連接到系統(tǒng)地，GND引腳連接到負(fù)電源。單電源和雙電源的性能是等效的，在這兩種電源模式下，都需將CLK和SHDN引腳的驅(qū)動(dòng)范圍設(shè)置為從GND到VDD。

3. 輸入信號幅度范圍

最佳輸入信號范圍可通過觀察給定截止頻率下信號與噪聲加失真（SINAD）比最大時(shí)的電壓電平來確定。在典型工作特性曲線中，可以看到總諧波失真加噪聲（THD + Noise）響應(yīng)隨輸入信號峰 - 峰值幅度的變化情況。

4. 抗混疊和DAC后置濾波

在將MAX7418–MAX7425用于抗混疊或DAC后置濾波時(shí)，需要使DAC（或ADC）和濾波器的時(shí)鐘同步。如果時(shí)鐘不同步，拍頻可能會混疊到所需的通帶中。

5. 諧波失真

濾波器內(nèi)部的非線性特性會產(chǎn)生諧波失真。在(T_{A}=+25^{circ}C)，負(fù)載為10kΩ的情況下，不同型號的濾波器典型諧波失真值可參考文檔中的表格。

七、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器類型選擇、靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)、低功耗特性以及出色的性能指標(biāo)，為電子工程師在設(shè)計(jì)低功耗、高性能的信號處理系統(tǒng)時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們只需根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇濾波器類型、時(shí)鐘模式以及進(jìn)行必要的參數(shù)調(diào)整，就能充分發(fā)揮該系列濾波器的優(yōu)勢。大家在使用過程中是否也遇到過一些有趣的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。