探索 MAX293/MAX294/MAX297：八階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器是信號(hào)處理中不可或缺的一部分。今天，我們將深入探討 Maxim 公司的 MAX293/MAX294/MAX297 八階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，了解它們的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX293/MAX294/MAX297 是易于使用的八階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器。其中，MAX293/MAX294 的轉(zhuǎn)角頻率范圍為 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 則為 0.1Hz 至 50kHz。MAX293/MAX297 具有 1.5 的過(guò)渡比，可實(shí)現(xiàn)陡峭的滾降和 -80dB 的阻帶抑制；MAX294 的過(guò)渡比為 1.2，滾降最為陡峭，阻帶抑制為 -58dB。這三款濾波器響應(yīng)固定，設(shè)計(jì)任務(wù)主要是選擇控制濾波器轉(zhuǎn)角頻率的時(shí)鐘頻率。

二、產(chǎn)品特性

2.1 高性能濾波

• 八階低通橢圓濾波器：能夠提供陡峭的滾降特性，有效抑制高頻噪聲，適用于對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬轉(zhuǎn)角頻率范圍：時(shí)鐘可調(diào)的轉(zhuǎn)角頻率范圍滿足不同應(yīng)用的需求，如 MAX293/MAX294 為 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 為 0.1Hz 至 50kHz。
• 低通特性：可以讓低頻信號(hào)順利通過(guò)，同時(shí)有效衰減高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)過(guò)濾。

2.2 靈活的時(shí)鐘配置

• 無(wú)需外部電阻或電容：內(nèi)部或外部時(shí)鐘可選，使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，通過(guò)外部電容即可生成時(shí)鐘；也可使用外部時(shí)鐘信號(hào)，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性。
• 時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比：MAX293/294 的時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比為 100:1，MAX297 為 50:1，方便根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行頻率調(diào)整。

2.3 電源適應(yīng)性強(qiáng)

• 供電方式多樣：可采用單 +5V 電源或雙 ±5V 電源供電，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

2.4 集成未使用運(yùn)算放大器

• 多功能應(yīng)用：提供一個(gè)未使用的運(yùn)算放大器（同相輸入接地），可用于構(gòu)建連續(xù)時(shí)間低通濾波器，實(shí)現(xiàn)后置濾波或抗混疊功能。

2.5 多種封裝形式

• 小型化設(shè)計(jì)：提供 8 引腳 DIP 和 16 引腳寬 SO 封裝，在小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能，滿足不同的 PCB 布局需求。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，信號(hào)可能會(huì)受到各種噪聲的干擾。MAX293/MAX294/MAX297 濾波器可以有效去除高頻噪聲，提高采集信號(hào)的質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 抗混疊

在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理之前，需要進(jìn)行抗混疊濾波，以防止高頻信號(hào)折疊到低頻區(qū)域，影響信號(hào)的還原。這三款濾波器的陡峭滾降特性使其非常適合抗混疊應(yīng)用。

3.3 DAC 后置濾波

在數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）之后，輸出信號(hào)可能會(huì)包含一些高頻成分。使用這些濾波器進(jìn)行后置濾波，可以平滑輸出信號(hào)，減少噪聲和失真。

3.4 語(yǔ)音/數(shù)據(jù)信號(hào)濾波

在語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信中，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以去除干擾，提高通信質(zhì)量。MAX293/MAX294/MAX297 能夠有效過(guò)濾信號(hào)，確保語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的清晰傳輸。

四、電氣特性

4.1 濾波器特性

• 轉(zhuǎn)角頻率范圍：MAX293/MAX294 為 0.1 - 25kHz，MAX297 為 0.1 - 50kHz。
• 時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比：MAX293/294 為 100:1，MAX297 為 50:1。
• 插入增益：相對(duì)于直流增益，在不同輸入頻率下有特定的插入增益值，具體數(shù)值可參考文檔中的表格。
• 通帶紋波：MAX294 約為 0.27dB，MAX297 約為 0.23dB。
• 輸出直流擺幅：±4V。
• 輸出失調(diào)電壓：在輸入接地時(shí)，為 ±150mV 至 ±400mV。
• 去除輸出失調(diào)后的直流插入增益：在 -0.15dB 至 0.15dB 之間。
• 總諧波失真加噪聲：不同型號(hào)在不同溫度下有不同的表現(xiàn)，如 MAX293 在 TA = +25°C 時(shí)為 -71dB。
• 時(shí)鐘饋通：在 TA = +25°C 時(shí)，為 5.0mVp - p。
• 輸出驅(qū)動(dòng)能力：約為 20kΩ。

4.2 時(shí)鐘特性

• 內(nèi)部振蕩器頻率：當(dāng) Cosc = 1000pF 時(shí)，頻率范圍為 29kHz 至 43kHz。
• 內(nèi)部振蕩器電流源/吸收：在 VCLK = 0V 或 5V 時(shí)，為 ±70μA 至 ±120μA。
• 時(shí)鐘輸入：高電平為 4.0V，低電平為 1.0V。

4.3 未使用運(yùn)算放大器特性

• 輸入失調(diào)電壓：為 ±10mV 至 +50mV。
• 輸出驅(qū)動(dòng)能力：約為 20kΩ。
• 輸出直流擺幅：±4V。
• 增益帶寬積：約為 4MHz。

4.4 電源要求

• 電源電壓：雙電源時(shí)為 +2.375V 至 +5.5V；單電源時(shí)，V - = 0V，GND = V + / 2，V + 范圍為 4.75V 至 11.0V。
• 電源電流：約為 15.0mA 至 22.0mA。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 時(shí)鐘信號(hào)要求

• 最大推薦時(shí)鐘頻率：MAX293/MAX294/MAX297 的最大推薦時(shí)鐘頻率為 2.5MHz，可根據(jù)時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比計(jì)算出相應(yīng)的截止頻率。
• 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式：CLK 引腳可由外部時(shí)鐘或內(nèi)部振蕩器驅(qū)動(dòng)。使用外部時(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)為與 +5V CMOS 邏輯接口；使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，CLK 引腳的電容（Cosc）決定振蕩器頻率，計(jì)算公式為 (fOSC(kHz)=frac{10^{5}}{3 COSC(pF)})。同時(shí)，應(yīng)盡量減小 CLK 引腳的雜散電容，以免影響內(nèi)部振蕩器頻率。

5.2 電源供應(yīng)

• 雙電源和單電源應(yīng)用：可根據(jù)實(shí)際需求選擇雙電源或單電源供電。使用單電源時(shí)，需將 V - 引腳接地，并使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將 GND 引腳偏置到電源中點(diǎn)。

5.3 未使用運(yùn)算放大器的應(yīng)用

• 抗混疊和后置濾波：未使用的運(yùn)算放大器可用于構(gòu)建一階或二階連續(xù)時(shí)間低通濾波器，用于抗混疊或減少時(shí)鐘噪聲。例如，可構(gòu)建一個(gè)二階巴特沃斯濾波器，其轉(zhuǎn)角頻率可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。在選擇濾波器轉(zhuǎn)角頻率時(shí)，為了使通帶誤差保持在合適的水平，建議二階巴特沃斯濾波器的轉(zhuǎn)角頻率（fce）比橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器的轉(zhuǎn)角頻率（fcE）高 2.5 倍以上，最好為 5 倍以上，即 (f{C B}>(5)(f{C E}))。
• 輸入阻抗要求：當(dāng)使用該運(yùn)算放大器作為后置濾波器以減少時(shí)鐘噪聲時(shí)，應(yīng)保持濾波器的輸入阻抗高于 20kΩ，以避免對(duì)開(kāi)關(guān)電容濾波器造成過(guò)大的負(fù)載。

5.4 DAC 后置濾波

在使用 MAX293/MAX294/MAX297 進(jìn)行 DAC 后置濾波時(shí)，需要同步 DAC 和濾波器的時(shí)鐘，以防止拍頻混疊到所需的通帶內(nèi)。DAC 的時(shí)鐘應(yīng)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電容濾波器的時(shí)鐘進(jìn)行分頻來(lái)生成。

5.5 諧波失真

濾波器內(nèi)部的非線性會(huì)產(chǎn)生諧波失真。在實(shí)際應(yīng)用中，可參考文檔中給出的典型諧波失真值，如在 1kHz、5Vp - p 正弦波輸入信號(hào)、1MHz 時(shí)鐘頻率和 20k 負(fù)載的條件下，不同型號(hào)的濾波器在各次諧波下的失真值。

六、總結(jié)

MAX293/MAX294/MAX297 八階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器以其高性能、靈活性和小型化的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集、通信、信號(hào)處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮其電氣特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的濾波效果。你在使用這些濾波器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)還有哪些疑問(wèn)，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。