MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414：5 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，濾波器的選擇對(duì)于信號(hào)處理的質(zhì)量和系統(tǒng)性能至關(guān)重要。今天，我們來深入探討 MAXIM 公司的 MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 這一系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器（SCFs），看看它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 是 5 階低通開關(guān)電容濾波器，具有多種出色特性。其中，MAX7409/MAX7410 采用 +5V 單電源供電，而 MAX7413/MAX7414 則使用 +3V 單電源供電。它們的供電電流僅為 1.2mA，且轉(zhuǎn)角頻率范圍從 1Hz 到 15kHz，非常適合低功耗的 DAC 后置濾波和抗混疊應(yīng)用。此外，該系列器件還具備關(guān)機(jī)模式，可將供電電流降至 0.2μA，有效節(jié)省能源。

二、產(chǎn)品特性

2.1 濾波響應(yīng)類型

• 貝塞爾（Bessel）響應(yīng)（MAX7409/MAX7413）：貝塞爾濾波器能夠?qū)λ蓄l率分量進(jìn)行均勻延遲，從而保留階躍輸入的形狀（受高頻衰減影響）。在使用多路復(fù)用器（mux）為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）選擇輸入信號(hào)的應(yīng)用中，貝塞爾濾波器的快速穩(wěn)定特性顯得尤為重要。因?yàn)樵谶x擇新通道后，位于 mux 和 ADC 之間的抗混疊濾波器必須能夠迅速穩(wěn)定。
• 巴特沃斯（Butterworth）響應(yīng)（MAX7410/MAX7414）：巴特沃斯濾波器具有最大平坦的通帶響應(yīng)，這使其成為需要在整個(gè)通帶內(nèi)與直流增益偏差最小的儀器應(yīng)用的理想選擇。

2.2 時(shí)鐘選項(xiàng)

該系列器件提供兩種時(shí)鐘選項(xiàng)：

• 自時(shí)鐘模式：通過使用外部電容實(shí)現(xiàn)自時(shí)鐘功能。具體來說，將電容（COSC）連接在 CLK 和地之間，振蕩器頻率由電容值決定，公式為 (f{osc}(kHz) = 30 × 10^{3} / C{OSC}(pF))。在使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，需要盡量減小 CLK 處的雜散電容，以免影響內(nèi)部振蕩器頻率。通過改變內(nèi)部振蕩器的速率，可以以 100:1 的時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角頻率比調(diào)整濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。例如，內(nèi)部振蕩器頻率為 100kHz 時(shí)，標(biāo)稱轉(zhuǎn)角頻率為 1kHz。
• 外部時(shí)鐘模式：適用于需要更精確控制轉(zhuǎn)角頻率的情況。該系列濾波器設(shè)計(jì)用于使用占空比為 50% ± 10% 的外部時(shí)鐘。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用由 0 到 VDD 供電的 CMOS 門驅(qū)動(dòng) CLK。外部時(shí)鐘速率的變化會(huì)按照 (f{c}=f{CLK} / 100) 的公式調(diào)整濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。

2.3 低功耗關(guān)機(jī)模式

當(dāng)將 SHDN 引腳驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。在關(guān)機(jī)模式下，濾波器的供電電流降至 0.2μA，輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。而在正常工作時(shí)，將 SHDN 引腳驅(qū)動(dòng)為高電平或?qū)⑵溥B接到 VDD 即可。

2.4 輸入阻抗與時(shí)鐘頻率的關(guān)系

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 的輸入阻抗實(shí)際上等效于一個(gè)開關(guān)電容電阻，其與頻率成反比。輸入電流并非連續(xù)的，因此下面公式計(jì)算出的輸入阻抗值代表平均輸入阻抗。一般來說，應(yīng)使用輸出阻抗小于濾波器輸入阻抗 10% 的驅(qū)動(dòng)器。輸入阻抗可通過公式 (Z{IN}=1 /(f{CLK} × 2.1 pF)) 進(jìn)行估算。例如，當(dāng) (f_{CLK}) 為 100kHz 時(shí)，輸入阻抗為 4.8MΩ。

三、電氣特性

3.1 濾波特性

• 轉(zhuǎn)角頻率（(f_{c})）：范圍為 0.001 到 15kHz，最大 (f{c}) 定義為在正弦輸入為 0.2(f{c}) 時(shí)，峰值 S / (THD + N) 降至 68dB 時(shí)的時(shí)鐘頻率 (f{CLK}=100 ×f{c})。
• 時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角頻率比：固定為 100:1。
• 時(shí)鐘 - 轉(zhuǎn)角溫度系數(shù)：為 10ppm/°C。
• 輸出電壓范圍：為 0.25 (V_{DD}) - 0.25V。
• 輸出失調(diào)電壓（(V_{OFFSET})）：當(dāng) (V{IN} = V{COM} = V_{DD} / 2) 時(shí)，典型值為 ±4mV，最大值為 ±25mV。
• 去除輸出失調(diào)后的直流插入增益：在 (V{COM} = V{DD} / 2) 時(shí)，范圍為 -0.2 到 +0.2dB。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：不同型號(hào)和輸入條件下有所不同。例如，在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 4V{p - p})，測(cè)量帶寬為 22kHz 時(shí)，MAX7409 的 THD + N 為 -85dB，MAX7410 為 -78dB；在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 2.5V{p - p})，測(cè)量帶寬為 22kHz 時(shí)，MAX7413 的 THD + N 為 -83dB，MAX7414 為 -81dB。

3.2 電源要求

• 電源電壓：MAX7409/MAX7410 的電源電壓為 +5V（范圍 4.5V 到 5.5V），MAX7413/MAX7414 的電源電壓為 +3V（范圍 2.7V 到 3.6V）。
• 供電電流：在無負(fù)載的工作模式下，供電電流為 1.2mA，最大值為 1.5mA。
• 關(guān)機(jī)電流：當(dāng) SHDN = GND 時(shí)，關(guān)機(jī)電流為 0.2μA，最大值為 1μA。
• 電源抑制比（PSRR）：當(dāng) IN = COM 時(shí)，PSRR 為 70dB。

四、引腳說明

五、應(yīng)用信息

5.1 失調(diào)和共模輸入調(diào)整

COM 引腳用于設(shè)置共模輸入電壓，內(nèi)部通過電阻分壓器偏置在電源中點(diǎn)。如果應(yīng)用不需要失調(diào)調(diào)整，可將 OS 連接到 COM。對(duì)于需要失調(diào)調(diào)整的應(yīng)用，可通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)向 OS 施加外部偏置電壓。若需要進(jìn)行直流電平轉(zhuǎn)換，可相對(duì)于 COM 調(diào)整 OS。需要注意的是，OS 不應(yīng)懸空。輸出電壓由公式 (V{OUT }=left(V{IN }-V{COM }right)+V{OS }) 表示，其中 (V{COM}=V{DD} / 2)（典型值），((V{IN} - V{COM})) 由 SCF 進(jìn)行低通濾波，OS 在輸出級(jí)相加。改變 COM 或 OS 上的電壓使其明顯偏離電源中點(diǎn)會(huì)降低濾波器的動(dòng)態(tài)范圍。

5.2 電源供應(yīng)

MAX7409/MAX7410 使用 +5V 單電源供電，MAX7413/MAX7414 使用 +3V 單電源供電。需要使用 0.1μF 電容將 VDD 旁路到地。如果需要雙電源（MAX7409/MAX7410 為 ±2.5V，MAX7413/MAX7414 為 ±1.5V），可將 COM 連接到系統(tǒng)地，將 GND 連接到負(fù)電源。單電源和雙電源的性能相當(dāng)。在單電源或雙電源操作中，CLK 和 SHDN 應(yīng)從地（雙電源操作中的 V -）驅(qū)動(dòng)到 VDD。對(duì)于 ±5V 雙電源應(yīng)用，建議使用 MAX291 - MAX297。

5.3 輸入信號(hào)幅度范圍

最佳輸入信號(hào)范圍可通過觀察在給定轉(zhuǎn)角頻率下總諧波失真 + 噪聲最小的電壓電平來確定。典型工作特性圖表展示了器件的總諧波失真加噪聲響應(yīng)隨輸入信號(hào)峰 - 峰幅度的變化情況。

5.4 抗混疊和 DAC 后置濾波

在將這些器件用于抗混疊或 DAC 后置濾波時(shí)，需要同步 DAC（或 ADC）和濾波器的時(shí)鐘。如果時(shí)鐘不同步，拍頻會(huì)混疊到所需的通帶中，影響信號(hào)處理效果。

5.5 諧波失真

諧波失真源于濾波器內(nèi)部的非線性特性。當(dāng)純正弦波輸入到濾波器時(shí)，這些非線性會(huì)產(chǎn)生諧波。文檔中列出了在 (T_{A}=+25^{circ} C) 且負(fù)載為 10kΩ 時(shí)，MAX7410/MAX7414 和 MAX7409/MAX7413 的典型諧波失真值。

六、訂購信息與封裝信息

6.1 訂購信息

6.2 封裝信息

文檔提供了詳細(xì)的封裝尺寸信息，包括英寸和毫米兩種單位的尺寸范圍，以及引腳間距等參數(shù)，方便工程師進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)。

綜上所述，MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 系列 5 階低通開關(guān)電容濾波器憑借其低功耗、多種濾波響應(yīng)類型、靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)和豐富的應(yīng)用特性，為電子工程師在信號(hào)處理、抗混疊和 DAC 后置濾波等應(yīng)用中提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)和工作模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。大家在使用過程中是否遇到過類似濾波器的其他問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。