MAX260/MAX261/MAX262：微處理器可編程通用有源濾波器的深度解析

在電子設計領域，濾波器的重要性不言而喻。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的MAX260/MAX261/MAX262系列微處理器可編程通用有源濾波器，它們?yōu)?a target="_blank">電子工程師在濾波器設計方面提供了強大而靈活的解決方案。

文件下載：MAX260.pdf

產品概述

MAX260/MAX261/MAX262是CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器，允許微處理器對精確的濾波功能進行控制。無需外部組件，即可實現多種帶通、低通、高通、陷波和全通配置。每個器件包含兩個二階濾波部分，可通過編程控制中心頻率（f0）、品質因數（Q）和濾波工作模式。

主要特性

• 微處理器接口：方便與微處理器連接，實現靈活的編程控制。
• 64步中心頻率控制：能夠精確調整濾波器的中心頻率。
• 128步Q控制：對品質因數進行精細調節(jié)。
• 獨立的Q和f0編程：可以分別對Q和f0進行編程，滿足不同的設計需求。
• 保證的時鐘與f0比率：A等級產品的時鐘與f0比率誤差可控制在±1%以內。
• 寬中心頻率范圍：MAX260的中心頻率范圍可達7.5kHz，MAX261可處理高達57kHz的中心頻率，而MAX262通過采用較低的時鐘與f0比率，將中心頻率范圍擴展到140kHz。
• 單+5V和±5V供電：支持多種供電方式，提高了設計的靈活性。

技術細節(jié)

f0和Q編程

每個二階濾波部分都有獨立的時鐘輸入和f0、Q控制。實際的中心頻率是濾波器時鐘速率、6位f0控制字和工作模式的函數。Q值也通過單獨的編程輸入進行設置。通過這種方式，MAX260/MAX261/MAX262的每個半部分都可以獨立調諧，從而實現復雜的濾波多項式。

振蕩器和時鐘輸入

時鐘電路可以與晶體、電阻 - 電容（RC）網絡或外部時鐘發(fā)生器配合使用。CLKA和CLKB的時鐘占空比并不重要，因為輸入會在內部進行二分頻，以生成每個濾波部分的采樣時鐘。需要注意的是，這種內部二分頻也會使采樣率減半，在考慮混疊和其他采樣系統(tǒng)現象時需要特別留意。

微處理器接口

f0、Q和模式選擇數據存儲在內部程序存儲器中。通過向A0 - A3選擇的地址寫入數據，可以更新存儲器內容。D0和D1是數據輸入。數據在WR的上升沿存儲到選定的地址中。當濾波器由±5V供電時，地址和數據輸入與TTL和CMOS兼容；使用其他電源電壓時，應使用CMOS邏輯電平。

關機模式

當向濾波器A的Q地址（Q0A - Q6A）寫入全零值時，MAX260/MAX261/MAX262進入關機/待機模式。關機時，±5V供電下的功耗通常降至10mW。關機后重新激活濾波器時，需要2ms才能恢復到全工作狀態(tài)。

濾波工作模式

MAX260/MAX261/MAX262的每個濾波部分的求和放大器和積分器有多種配置方式，其中四種最通用的互連模式（模式1 - 4）可通過向輸入M0和M1寫入數據進行選擇。此外，還有一種模式3A，它利用了MAX261和MAX262中包含的額外運算放大器和外部電阻，但內部配置與模式3相同，使用相同的編程代碼進行選擇。

設計流程

濾波器設計

首先，使用程序“PZ”確定所需的濾波器類型（如巴特沃斯、切比雪夫等）和極點數量。該程序還會繪制頻率響應曲線，并計算每個二階部分的極點/零點（f0）和Q值。

生成編程系數

根據第一步得到的f0和Q值，使用程序“MPP”生成用于編程每個二階部分f0和Q的數字系數。同時，需要選擇輸入時鐘頻率和濾波模式。對于大多數帶通和低通濾波器，模式1是最方便的選擇；橢圓帶通和低通濾波器需要模式3；高通濾波器也使用模式3，而全通濾波器使用模式4。

加載濾波器

當確定了每個二階濾波部分的f0和Q的N值后，就可以對濾波器進行編程和操作。如果有PC可用，可以使用一個簡短的BASIC程序通過PC的并行打印機端口將數據加載到MAX260/MAX261/MAX262中。

應用提示

電源供應

MAX260/MAX261/MAX262可以使用多種電源配置，包括+5V至+12V單電源或±2.5V至±5V雙電源。使用單電源時，需要將V - 連接到系統(tǒng)地，并將濾波器的GND引腳偏置到V + / 2。為了獲得最佳性能，V + 和V - 應通過4.7μF電解電容（優(yōu)選鉭電容）和0.1μF陶瓷電容旁路到地。

輸出擺幅和削波

MAX260/MAX261/MAX262的輸出設計用于驅動10kΩ負載。在MAX261和MAX262中，所有濾波輸出在10kΩ負載下可擺動到離每個電源軌0.15V以內；在MAX260中，由于內部采樣保持電路，N/HP/AP輸出的電壓擺幅比LP和BP輸出小1V。為了確保輸出不超出最大范圍，需要仔細考慮峰值幅度響應、各個部分的增益、輸入信號電平以及濾波器的失調電壓。

時鐘饋通和噪聲

MAX260系列器件的典型寬帶噪聲在DC至100kHz范圍內為0.5mVP - P，且噪聲幾乎與時鐘頻率無關。在多級濾波器中，應將Q值最高的部分放在前面，以降低輸出噪聲。如果輸出波形的步進現象（“階梯狀”）令人反感，可以添加一個單極AC濾波器來消除。

輸入阻抗

MAX260的輸入阻抗可以近似為RIN = 2 /（CINfCLK），其中CIN約為12pF。MAX261/MAX262的輸入結構有所不同，其輸入電阻比MAX260大750倍。

低采樣率下的f0和Q

當選擇低fCLK/f0比率和低Q設置時，可能會出現與理想連續(xù)濾波器響應的偏差。可以使用圖20或Maxim的設計軟件對選定的f0和Q進行校正。需要注意的是，不同模式下的校正方法有所不同。

設計實例

四階切比雪夫帶通濾波器

將MAX260的兩個部分級聯，形成一個中心頻率為1kHz的四階切比雪夫帶通濾波器。通過合理選擇時鐘頻率和編程系數，可以實現所需的濾波性能。

寬通帶切比雪夫帶通濾波器

在這個例子中，使用模式1和模式2相結合的方式，實現了一個中心頻率為1kHz、通帶帶寬為1kHz、阻帶帶寬為3kHz的寬通帶切比雪夫帶通濾波器。

高頻切比雪夫帶通濾波器

使用MAX262在更高的頻率下實現了與上述相同的切比雪夫響應形狀。由于MAX262具有更寬的fCLK/f0比率范圍，因此可以在兩個部分都使用模式1。

四階巴特沃斯低通濾波器

將MAX260的A和B部分級聯，實現了一個截止頻率為3kHz的四階巴特沃斯低通濾波器。在這種情況下，需要考慮低Q值下的采樣誤差，并根據需要進行校正。

總結

MAX260/MAX261/MAX262系列微處理器可編程通用有源濾波器為電子工程師提供了一種強大而靈活的濾波器設計解決方案。通過合理選擇工作模式、編程系數和時鐘頻率，可以實現各種復雜的濾波功能。同時，在設計過程中需要注意電源供應、輸出擺幅、時鐘饋通和噪聲等問題，以確保濾波器的性能和穩(wěn)定性。希望本文對大家在濾波器設計方面有所幫助，如果你在實際應用中遇到任何問題，歡迎在評論區(qū)留言討論。