MAX293/MAX294/MAX297：八階低通橢圓開關(guān)電容濾波器詳解

在電子電路設(shè)計(jì)中，濾波器的選擇至關(guān)重要，它直接影響著信號(hào)處理的質(zhì)量和效果。今天我們要詳細(xì)探討的是MAXIM公司的三款八階低通橢圓開關(guān)電容濾波器——MAX293、MAX294和MAX297，它們?cè)诒姸囝I(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

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一、濾波器概述

MAX293/MAX294/MAX297是易于使用的八階低通橢圓開關(guān)電容濾波器。其中，MAX293/MAX294的轉(zhuǎn)角頻率范圍為0.1Hz至25kHz，MAX297的轉(zhuǎn)角頻率范圍更寬，可達(dá)0.1Hz至50kHz。這三款濾波器具有固定的響應(yīng)特性，工程師的設(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。

從規(guī)格上看，MAX293和MAX297的過渡比為1.5，能提供陡峭的滾降和 -80dB的阻帶抑制；MAX294的過渡比為1.2，滾降最陡峭，阻帶抑制為 -58dB。此外，它們還提供了一個(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，以進(jìn)行后置濾波或抗混疊處理。憑借陡峭的滾降和高階特性，這些濾波器非常適合需要最大帶寬的抗混疊應(yīng)用，以及需要在頻域內(nèi)對(duì)鄰近信號(hào)進(jìn)行濾波的通信應(yīng)用。而且，它們采用8引腳DIP和16引腳寬體SO封裝，在小面積內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)出色的性能。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集過程中，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以去除噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。MAX293/MAX294/MAX297的高精度濾波特性能夠有效滿足這一需求。

2.2 抗混疊

在信號(hào)采樣過程中，為了避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生，需要在采樣前對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波。這三款濾波器的陡峭滾降特性使其能夠很好地完成抗混疊任務(wù)。

2.3 DAC后置濾波

在數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）后，輸出的信號(hào)可能會(huì)包含一些高頻噪聲和雜波，通過使用這些濾波器進(jìn)行后置濾波，可以提高輸出信號(hào)的質(zhì)量。

2.4 語音/數(shù)據(jù)信號(hào)濾波

在語音和數(shù)據(jù)通信中，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以提取有用信息，去除干擾信號(hào)。MAX293/MAX294/MAX297能夠在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效濾波，確保通信質(zhì)量。

三、產(chǎn)品特性

3.1 八階低通橢圓濾波器

具有八階的高階特性，能夠提供更陡峭的滾降，有效抑制阻帶信號(hào)。

3.2 時(shí)鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍

MAX293/MAX294的轉(zhuǎn)角頻率范圍為0.1Hz至25kHz，MAX297為0.1Hz至50kHz，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

3.3 無需外部電阻或電容

內(nèi)部集成了必要的電路，減少了外部元件的使用，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

3.4 內(nèi)部或外部時(shí)鐘

支持使用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘信號(hào)，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

3.5 時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率的比率

MAX293/294的比率為100:1，MAX297為50:1，通過調(diào)整時(shí)鐘頻率可以方便地控制濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。

3.6 單 +5V 電源或雙 ±5V 電源供電

可根據(jù)實(shí)際電路的電源配置選擇合適的供電方式，增強(qiáng)了產(chǎn)品的適用性。

3.7 未使用的運(yùn)算放大器

可用于抗混疊或時(shí)鐘噪聲濾波，進(jìn)一步提高濾波效果。

3.8 封裝形式

提供8引腳DIP和16引腳寬體SO封裝，方便不同的PCB布局和安裝需求。

四、電氣特性

4.1 濾波器特性

• 轉(zhuǎn)角頻率范圍：MAX293/MAX294為0.1Hz至25kHz，MAX297為0.1Hz至50kHz。
• 時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比率：MAX293/294為100:1，MAX297為50:1。
• 插入增益：在不同的輸入頻率下，三款濾波器的插入增益表現(xiàn)各有不同，具體數(shù)據(jù)可參考文檔中的表格。
• 通帶紋波：MAX294為0.27dB，MAX297為0.23dB。
• 輸出直流擺幅：±4V。
• 輸出失調(diào)電壓：±150mV至±400mV。
• 去除輸出失調(diào)后的直流插入增益：-0.15dB至±0.01dB至0.15dB。
• 總諧波失真加噪聲：MAX293為 -71dB，MAX294為 -69dB，MAX297為 -77dB。
• 時(shí)鐘饋通：5.0mVp - p。
• 輸出驅(qū)動(dòng)能力：20kΩ至10kΩ。

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：±70μA至±120μA。
• 時(shí)鐘輸入：高電平為4.0V，低電平為1.0V。

4.3 未使用的運(yùn)算放大器特性

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

4.4 電源需求

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

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 時(shí)鐘信號(hào)要求

這三款濾波器的最大推薦時(shí)鐘頻率為2.5MHz，CLK引腳可以由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，也可以由內(nèi)部振蕩器和外部電容產(chǎn)生。外部時(shí)鐘應(yīng)用中，時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)為與 +5V CMOS邏輯接口，使用單電源或雙 +5V 電源時(shí)，用CMOS門驅(qū)動(dòng)CLK引腳。當(dāng)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，因?yàn)樗鼤?huì)影響內(nèi)部振蕩器頻率。

5.2 電源供應(yīng)

MAX293/MAX294/MAX297可以使用雙電源或單電源供電。雙電源電壓范圍為 +2.375V至 +5.5V，建議在每個(gè)電源與GND之間連接0.1μF的旁路電容。使用單電源時(shí)，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 未使用的運(yùn)算放大器應(yīng)用

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，可以構(gòu)建一個(gè)二階巴特沃斯濾波器，其轉(zhuǎn)角頻率和輸入阻抗可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，在使用該運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)注意保持濾波器的輸入阻抗高于20kΩ，以避免對(duì)開關(guān)電容濾波器造成過度負(fù)載。

5.4 DAC后置濾波

在用于DAC后置濾波時(shí)，應(yīng)使DAC和濾波器的時(shí)鐘同步。如果時(shí)鐘不同步，拍頻會(huì)混疊到所需的通帶中。DAC的時(shí)鐘應(yīng)通過對(duì)開關(guān)電容濾波器的時(shí)鐘進(jìn)行分頻來產(chǎn)生。

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。在一個(gè)1kHz、5Vp - p的正弦波輸入信號(hào)、1MHz時(shí)鐘頻率和20kΩ負(fù)載的條件下，MAX293、MAX294和MAX297的典型諧波失真值有所不同，具體數(shù)據(jù)可參考文檔中的表格。

六、總結(jié)

MAX293/MAX294/MAX297三款八階低通橢圓開關(guān)電容濾波器具有高性能、易使用、靈活配置等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種信號(hào)處理應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求考慮時(shí)鐘信號(hào)、電源供應(yīng)、運(yùn)算放大器應(yīng)用等方面的因素，以確保濾波器能夠發(fā)揮最佳性能。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨多嘗試這些濾波器，看看它們能為你的設(shè)計(jì)帶來怎樣的驚喜。你在使用類似濾波器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。