LTC1064：高性能四通道通用濾波器構(gòu)建模塊的技術(shù)剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器的性能往往直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信號(hào)處理能力。LTC1064作為一款低噪聲、快速的四通道通用濾波器構(gòu)建模塊，為工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。下面，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

LTC1064將四個(gè)濾波器集成在一個(gè)僅0.3英寸寬的封裝內(nèi)，這一緊湊的設(shè)計(jì)使得它在空間受限的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。其最大中心頻率可達(dá)140kHz，且有帶內(nèi)部電阻的定制版本可供選擇，這為不同需求的設(shè)計(jì)提供了更多可能性。與LTC1059/LTC1060/LTC1061等設(shè)備相比，LTC1064的噪聲降低了一半，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到7MHz，同時(shí)具備50:1和100:1的時(shí)鐘與中心頻率比，能滿足多種頻率控制需求。它的電源供應(yīng)范圍為±2.375V至±8V，具有低失調(diào)和低諧波失真的特點(diǎn)，并且提供24引腳DIP和SO寬封裝兩種選擇。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 抗混疊濾波

在信號(hào)采集系統(tǒng)中，抗混疊濾波器是必不可少的環(huán)節(jié)。LTC1064憑借其低噪聲和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠有效濾除高頻噪聲，防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生，確保采集到的信號(hào)真實(shí)可靠。

2.2 寬頻率范圍跟蹤濾波

對(duì)于需要跟蹤不同頻率信號(hào)的應(yīng)用，LTC1064可以通過外部時(shí)鐘靈活調(diào)整中心頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬頻率范圍內(nèi)信號(hào)的精確跟蹤和濾波。

2.3 頻譜分析

在頻譜分析設(shè)備中，LTC1064能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行濾波處理，提取出特定頻率成分，為頻譜分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.4 環(huán)路濾波

在反饋控制系統(tǒng)中，環(huán)路濾波器用于穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出。LTC1064的低失調(diào)和低諧波失真特性，使其能夠有效抑制噪聲和干擾，提高環(huán)路的穩(wěn)定性和控制精度。

三、技術(shù)特性

3.1 濾波器構(gòu)建

LTC1064由四個(gè)高速、低噪聲的開關(guān)電容濾波器構(gòu)建模塊組成。每個(gè)模塊與外部時(shí)鐘和三到五個(gè)電阻配合，可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和陷波等各種二階功能。二階功能的中心頻率可以通過外部時(shí)鐘或時(shí)鐘與電阻比進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)Q ≤ 5時(shí)，中心頻率范圍為0.1Hz至100kHz；當(dāng)Q ≤ 3時(shí)，中心頻率范圍可擴(kuò)展至140kHz。通過級(jí)聯(lián)四個(gè)二階部分，最多可實(shí)現(xiàn)八階濾波器，并且可以形成任何經(jīng)典的濾波器類型，如巴特沃斯、考爾、貝塞爾和切比雪夫?yàn)V波器。

3.2 電氣特性

• 電源電壓范圍：工作電源電壓范圍為±2.375V至±8V，適應(yīng)多種電源供應(yīng)環(huán)境。
• 電壓擺幅：在VS = ±5V、RL = 5k的條件下，電壓擺幅為±3.1V至±3.6V。
• 輸出短路電流：直流開環(huán)增益在VS = ±5V時(shí)為80dB，輸出短路電流為3mA。
• GBW乘積和壓擺率：GBW乘積在VS = ±5V時(shí)為10MHz，壓擺率為7V/μs。

  3.3 時(shí)鐘與頻率特性

• 時(shí)鐘頻率：最大時(shí)鐘頻率在±5V電源下為4MHz，在±7V及以上電源下為7MHz。
• 時(shí)鐘與中心頻率比：提供50:1和100:1的時(shí)鐘與中心頻率比，并且在不同條件下具有較高的精度和匹配性。

四、引腳功能

4.1 電源引腳（V?、V?）

V?和V?分別為電源引腳，應(yīng)使用0.1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路。建議使用低噪聲、非開關(guān)電源，該設(shè)備支持單5V電源和雙電源供電，絕對(duì)最大工作電源電壓為±8V。

4.2 時(shí)鐘引腳（CLK）

CLK為時(shí)鐘引腳，對(duì)于±5V電源，邏輯閾值電平為1.4V；對(duì)于±8V和0V至5V電源，邏輯閾值電平分別為2.2V和3V。在整個(gè)軍用溫度范圍內(nèi)，邏輯閾值電平變化±100mV。建議輸入時(shí)鐘的占空比為50%，對(duì)于低于500kHz的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘“導(dǎo)通”時(shí)間可低至200ns。

4.3 模擬地引腳（AGND）

AGND為模擬地引腳。當(dāng)LTC1064采用雙電源工作時(shí)，該引腳應(yīng)連接到系統(tǒng)地；當(dāng)采用單正電源工作時(shí)，模擬地引腳應(yīng)連接到1/2電源，并使用1μF固體鉭電容與0.1μF陶瓷電容并聯(lián)進(jìn)行旁路。

4.4 50/100引腳

通過將該引腳連接到V?，所有濾波器部分的時(shí)鐘與中心頻率比內(nèi)部設(shè)置為50:1；當(dāng)該引腳處于電源中間值時(shí)，B和C部分的時(shí)鐘與中心頻率比為50:1，A和D部分為100:1；當(dāng)該引腳短路到負(fù)電源引腳時(shí)，所有濾波器部分的時(shí)鐘與中心頻率比為100:1。

五、應(yīng)用注意事項(xiàng)

5.1 接地和旁路

LTC1064應(yīng)采用分離的模擬和數(shù)字接地平面以及單點(diǎn)接地技術(shù)。Pin 6（AGND）應(yīng)直接連接到模擬接地平面，Pin 7（V?）和Pin 19（V?）應(yīng)使用0.1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路，以確保良好的噪聲性能。所有模擬輸入應(yīng)直接參考單點(diǎn)接地，時(shí)鐘輸入應(yīng)與模擬電路屏蔽或遠(yuǎn)離，并使用單獨(dú)的數(shù)字接地平面。

5.2 濾波器輸出緩沖

在驅(qū)動(dòng)同軸電纜和1×示波器探頭時(shí)，濾波器輸出應(yīng)進(jìn)行緩沖，特別是在使用高Q值設(shè)計(jì)特定濾波器時(shí)。不適當(dāng)?shù)木彌_可能會(huì)導(dǎo)致噪聲、失真、Q值和增益測量誤差。當(dāng)使用10×探頭時(shí)，通常不需要緩沖。在進(jìn)行THD測試時(shí)，建議使用反相緩沖器，并對(duì)緩沖器進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐月罚宰钚』瘯r(shí)鐘饋通。

5.3 失調(diào)消除

對(duì)于一些用戶來說，低通濾波器可能存在過大的直流失調(diào)。可以使用伺服電路來主動(dòng)消除LTC1064或任何LTC開關(guān)電容濾波器的失調(diào)。文中給出的電路可以將失調(diào)消除到優(yōu)于300μV，但由于積分器極點(diǎn)頻率的原因，該電路需要數(shù)秒才能穩(wěn)定。

5.4 噪聲考慮

所有提到的噪聲性能均不包括時(shí)鐘饋通。如果不采用上述接地、旁路和緩沖技術(shù)，噪聲測量結(jié)果將會(huì)變差。典型性能特性部分中的“寬帶噪聲與Q值”圖表很好地反映了該設(shè)備的噪聲性能。

六、工作模式

6.1 主要模式

• 模式1：在模式1中，每個(gè)二階部分的外部時(shí)鐘頻率與中心頻率之比內(nèi)部固定為50:1或100:1。該模式可用于制作高階巴特沃斯低通濾波器、低Q陷波濾波器以及級(jí)聯(lián)具有相同中心頻率和單位增益的二階帶通功能。需要注意的是，模式1只能在LTC1064的四個(gè)部分中的三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镈部分沒有外部可用的求和節(jié)點(diǎn)，但特殊情況下D部分也可在模式1下內(nèi)部連接。
• 模式3：模式3中，每個(gè)二階部分的外部時(shí)鐘頻率與中心頻率之比可以在50:1或100:1上下調(diào)整。LTC1064的D側(cè)只能在模式3下連接。該模式可用于制作高階全極點(diǎn)帶通、低通、高通和陷波濾波器，但速度比模式1慢。

  6.2 次要模式

• 模式1b：模式1b由模式1派生而來，通過添加兩個(gè)額外的電阻R5和R6，可以調(diào)整濾波器的時(shí)鐘與中心頻率比，使其超出50:1或100:1，同時(shí)保持模式1的速度優(yōu)勢(shì)。
• 模式2：模式2是模式1和模式3的組合，時(shí)鐘與中心頻率比fCLK/f?始終小于50:1或100:1。該模式對(duì)電阻公差的敏感性低于模式3，并且與模式1一樣具有陷波輸出，陷波頻率小于中心頻率f?。
• 模式3a：模式3a是模式3的擴(kuò)展，通過兩個(gè)外部電阻RH和RL將高通和低通輸出求和，形成陷波。該模式比模式2更具通用性，陷波頻率可以高于或低于二階部分的中心頻率，適用于橢圓高通和陷波濾波器。

七、典型應(yīng)用電路

7.1 寬帶帶通濾波器

實(shí)現(xiàn)了高到低截止頻率比等于2的寬帶帶通濾波，給出了具體的電阻值和不同時(shí)鐘頻率下的幅度響應(yīng)曲線。

7.2 四通道帶通濾波器

中心頻率分別為f?、2f?、3f?和4f?，同樣提供了電阻值和幅度響應(yīng)曲線。

7.3 八階帶通濾波器

帶有兩個(gè)阻帶陷波，詳細(xì)說明了電阻值和性能指標(biāo)，如通帶紋波、噪聲等。

7.4 C消息濾波器

用于特定的信號(hào)處理，給出了電阻值和幅度響應(yīng)曲線。

7.5 八階切比雪夫低通濾波器

通帶紋波為0.1dB，截止頻率可達(dá)100kHz，提供了電阻值、噪聲性能和幅度響應(yīng)曲線。

7.6 八階時(shí)鐘掃描低通橢圓抗混疊濾波器

在0.1Hz至20kHz的截止頻率范圍內(nèi)，保持±0.1dB的最大通帶誤差和72dB的最小阻帶衰減，還提供了噪聲和THD性能指標(biāo)。

7.7 雙四階貝塞爾濾波器

截止頻率為140kHz，給出了電阻值和幅度響應(yīng)曲線。

7.8 八階線性相位（貝塞爾）濾波器

fCLK/f - 3dB = 65/1，提供了電阻值、噪聲性能和幅度響應(yīng)曲線。

7.9 雙五階切比雪夫低通濾波器

截止頻率分別為50kHz和100kHz，給出了電阻值和幅度響應(yīng)曲線。

7.10 時(shí)鐘可調(diào)8階陷波濾波器

提供30kHz至90kHz的陷波濾波，陷波深度超過60dB，給出了電阻值、噪聲性能和幅度響應(yīng)曲線。

八、相關(guān)產(chǎn)品

除了LTC1064，還有一些相關(guān)的產(chǎn)品可供選擇，如LTC1061（三通道通用濾波器構(gòu)建模塊）、LTC1068系列（四通道通用構(gòu)建模塊）、LTC1164（低功耗四通道通用濾波器構(gòu)建模塊）和LTC1264（高速四通道通用構(gòu)建模塊）。這些產(chǎn)品在不同的應(yīng)用場景中各有優(yōu)勢(shì)，工程師可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

綜上所述，LTC1064以其豐富的功能、良好的性能和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師在濾波器設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇工作模式、配置外部元件，并注意接地、旁路和緩沖等問題，以充分發(fā)揮LTC1064的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能的濾波器設(shè)計(jì)。你在使用LTC1064的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。