探索 MAX7480 八階低通巴特沃斯開關(guān)電容濾波器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用之道

引言

在電子工程領(lǐng)域，濾波器的選擇對(duì)于系統(tǒng)性能至關(guān)重要。今天，我們聚焦于MAX7480這款八階低通巴特沃斯開關(guān)電容濾波器（SCF），它在低功耗后數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）濾波和抗混疊等應(yīng)用場(chǎng)景中有著出色的表現(xiàn)。接下來，我們將深入了解它的特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)以及注意事項(xiàng)。

文件下載：MAX7480.pdf

一、MAX7480 概覽

基本特性與優(yōu)勢(shì)

MAX7480能夠在單一 +5V 電源下工作，靜態(tài)電流僅為 2.9mA，且截止頻率范圍可從 1Hz 到 2kHz，這使其在低功耗應(yīng)用中成為理想之選。同時(shí)，它具備關(guān)機(jī)模式，可將電源電流降至極低的 0.2μA，大大節(jié)省了能源。

時(shí)鐘選項(xiàng)與輸出調(diào)節(jié)

該濾波器提供了兩種時(shí)鐘選擇：可以通過外部電容實(shí)現(xiàn)自時(shí)鐘模式；也能使用外部時(shí)鐘來精確控制截止頻率。此外，它還配備了偏移調(diào)整引腳，方便對(duì)直流輸出電平進(jìn)行調(diào)整。

二、技術(shù)參數(shù)剖析

濾波器特性

截止頻率范圍為 1Hz - 2kHz，時(shí)鐘與截止頻率之比固定為 100:1，時(shí)鐘 - 截止頻率溫度系數(shù)為 10ppm/°C。輸出電壓范圍為 0.25V 至 VDD - 0.25V，輸出失調(diào)電壓典型值為 ±5mV。此外，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -73dB，顯示出其優(yōu)秀的信號(hào)處理能力。

時(shí)鐘參數(shù)

內(nèi)部振蕩器頻率（當(dāng) Cosc = 1000pF 時(shí)）典型值為 53kHz，時(shí)鐘輸入電流在 VCLK = 0 或 5V 時(shí)典型值為 ±24μA。時(shí)鐘輸入高電平為 VDD - 0.5V，低電平為 0.5V。

電源要求

電源電壓范圍為 4.5V - 5.5V，工作模式下電源電流典型值為 2.9mA，關(guān)機(jī)模式下為 0.2μA。電源抑制比（PSRR）在直流測(cè)量下典型值為 60dB。

三、工作模式與原理

時(shí)鐘信號(hào)控制

• 外部時(shí)鐘模式：適用于需要精確控制截止頻率的場(chǎng)景。要求外部時(shí)鐘的占空比在 40% - 60% 之間，使用 CMOS 門從 0 到 VDD 驅(qū)動(dòng) CLK。通過公式 (f{C}=f{CLK} / 100) 可知，改變外部時(shí)鐘頻率，就能方便地調(diào)整濾波器的截止頻率。
• 內(nèi)部時(shí)鐘模式：在 CLK 和地之間連接電容（COSC）即可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。振蕩器頻率由公式 (f{OSC}(kHz)=frac{53 cdot 10^{3}}{C{OSC}})（(C_{OSC})單位為 pF）確定。在使用時(shí)需注意盡量減小 CLK 處的雜散電容，以免影響內(nèi)部振蕩器頻率。

輸入阻抗特性

MAX7480 的輸入阻抗等效于一個(gè)開關(guān)電容電阻，與頻率成反比。其平均輸入阻抗可通過公式 (Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} cdot C{IN})})（(C{IN}=2.31 pF)）估算。設(shè)計(jì)時(shí)，一般建議驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗小于濾波器輸入阻抗的 10%。

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)，濾波器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時(shí)電源電流降至 0.2μA，輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。而在正常工作時(shí)，需將 SHDN 引腳驅(qū)動(dòng)為高電平或連接到 VDD。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

偏移與共模輸入調(diào)整

COM 引腳電壓決定了共模輸入電壓，內(nèi)部通過電阻分壓器將其偏置在電源電壓的一半。要使用 0.1μF 電容將 COM 引腳旁路到地，并將 OS 引腳連接到 COM。若需要進(jìn)行偏移調(diào)整或直流電平轉(zhuǎn)換，可通過電阻分壓網(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 })+VOS) 計(jì)算，其中 (V{COM}=V_{DD} / 2)（典型值）。不過需注意，大幅改變 COM 或 OS 引腳的電壓會(huì)減小濾波器的動(dòng)態(tài)范圍。

電源設(shè)計(jì)

MAX7480 可使用單 +5V 電源供電，需用 0.1μF 電容將 VDD 旁路到地。若需要雙電源（±2.5V），可將 COM 連接到系統(tǒng)地，GND 連接到負(fù)電源。單電源和雙電源的性能相當(dāng)，但無論使用哪種電源供電，CLK 和 SHDN 引腳都需從 GND（雙電源時(shí)為 V -）驅(qū)動(dòng)到 VDD。

輸入信號(hào)幅度范圍

對(duì)于特定的截止頻率，可通過觀察總諧波失真加噪聲（THD + N）最小時(shí)的電壓電平來確定最佳輸入信號(hào)范圍。在典型工作特性曲線中，可看到輸入信號(hào)峰 - 峰幅度變化時(shí)的 THD + N 響應(yīng)情況。測(cè)量時(shí)，OS 和 COM 引腳需偏置在電源電壓的一半。

抗混疊與后 DAC 濾波

在進(jìn)行抗混疊或后 DAC 濾波應(yīng)用時(shí)，要確保 DAC 和濾波器的時(shí)鐘同步，否則可能會(huì)出現(xiàn)差拍頻率混疊到通帶內(nèi)的問題。由于該濾波器具有較高的時(shí)鐘 - 截止頻率比（100:1），可以降低前、后級(jí)開關(guān)電容濾波器（SCF）濾波的要求。在輸入側(cè)，使用截止頻率高于 SCF 截止頻率的低通濾波器可防止時(shí)鐘頻率附近的頻率混疊到通帶內(nèi)；在輸出側(cè)，低通濾波器可衰減時(shí)鐘饋通。

五、總結(jié)與思考

MAX7480 八階低通巴特沃斯開關(guān)電容濾波器憑借其低功耗、寬截止頻率范圍、良好的信號(hào)處理能力以及豐富的應(yīng)用靈活性，在電子工程設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮時(shí)鐘同步、電源設(shè)計(jì)、信號(hào)幅度范圍等因素，以確保濾波器性能的最優(yōu)發(fā)揮。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒有遇到過類似濾波器的一些特殊問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。