深入解析LTC1067/LTC1067 - 50：通用雙二階濾波器構(gòu)建模塊

引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，濾波器的應(yīng)用無(wú)處不在。而LTC1067/LTC1067 - 50作為一款功能強(qiáng)大的通用雙二階濾波器構(gòu)建模塊，以其出色的性能和豐富的特性，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入探討一下這款濾波器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品特性

電源與輸入輸出

LTC1067/LTC1067 - 50支持軌到軌輸入和輸出操作，可在單3V至±5V電源下工作。這使得它在不同的電源環(huán)境中都能穩(wěn)定運(yùn)行，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性。例如，在一些便攜式設(shè)備中，單3V電源供電就可以滿足其工作需求，而在對(duì)電源要求較高的工業(yè)應(yīng)用中，±5V電源也能讓其發(fā)揮最佳性能。

動(dòng)態(tài)范圍與頻率特性

在單3.3V電源下，該濾波器具有大于80dB的動(dòng)態(tài)范圍，能夠有效處理較大幅度的信號(hào)。同時(shí)，LTC1067的時(shí)鐘與中心頻率比為100:1，LTC1067 - 50為50:1，內(nèi)部采樣與中心頻率比分別為200:1和100:1，中心頻率誤差典型值小于±0.2%。這些精確的頻率特性使得它在對(duì)頻率精度要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，如通信系統(tǒng)中的信號(hào)處理。

低噪聲與可定制性

該濾波器的噪聲較低，小于40μV RMS，并且可以通過(guò)內(nèi)部電阻進(jìn)行定制。這對(duì)于一些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用，如音頻處理、傳感器信號(hào)調(diào)理等，具有重要意義。通過(guò)合理選擇內(nèi)部電阻，可以根據(jù)具體需求調(diào)整濾波器的性能。

應(yīng)用領(lǐng)域

濾波器類型

LTC1067/LTC1067 - 50可用于多種類型的濾波器設(shè)計(jì)，包括陷波濾波器、窄帶帶通濾波器等。在通信系統(tǒng)中，陷波濾波器可以有效去除特定頻率的干擾信號(hào)，提高信號(hào)的純度；窄帶帶通濾波器則可以選擇特定頻段的信號(hào)進(jìn)行傳輸，保證信號(hào)的質(zhì)量。

其他應(yīng)用

它還可用于音調(diào)檢測(cè)和降噪系統(tǒng)。在音頻設(shè)備中，音調(diào)檢測(cè)功能可以識(shí)別特定的音調(diào)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、音樂(lè)分析等功能；降噪系統(tǒng)則可以降低環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，提高音頻的清晰度。

產(chǎn)品描述

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能

LTC1067/LTC1067 - 50由兩個(gè)相同的軌到軌、高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍的二階開(kāi)關(guān)電容構(gòu)建模塊組成。每個(gè)構(gòu)建模塊與三到五個(gè)電阻配合，可實(shí)現(xiàn)二階濾波器功能，如帶通、高通、低通、陷波和全通。通過(guò)合理組合這些模塊，還可以輕松設(shè)計(jì)出高精度的四階濾波器。

中心頻率與時(shí)鐘關(guān)系

每個(gè)二階部分的中心頻率由外部時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)，內(nèi)部時(shí)鐘與中心頻率比可以通過(guò)外部電阻進(jìn)行修改。這種設(shè)計(jì)使得濾波器的頻率調(diào)整更加靈活，能夠滿足不同應(yīng)用的需求。

功耗與封裝

LTC1067 - 50是低功耗設(shè)備，其典型供電電流在3.3V電源下約為1mA，約為L(zhǎng)TC1067的一半。兩款產(chǎn)品均提供16引腳窄SSOP和SO封裝，并且還有帶片上薄膜電阻和定制時(shí)鐘到截止頻率比的掩?？?a target="_blank">編程版本，可采用SO - 8封裝實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的單片濾波器。

典型應(yīng)用案例

單3.3V電源軌到軌四階10kHz帶通濾波器

該應(yīng)用案例展示了LTC1067 - 50在帶通濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過(guò)合理選擇電阻和時(shí)鐘頻率，實(shí)現(xiàn)了特定頻率的信號(hào)濾波。其總輸出噪聲為90μV RMS，信噪比為80dB，性能表現(xiàn)出色。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體需求調(diào)整電阻值和時(shí)鐘頻率，以達(dá)到最佳的濾波效果。

其他典型應(yīng)用

文檔中還列舉了多種典型應(yīng)用案例，如5V 0.1μF 5階低通濾波器、1kHz線性相位帶通濾波器、單電源4階帶通濾波器等。這些案例為工程師提供了豐富的設(shè)計(jì)參考，幫助他們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中選擇合適的濾波器配置。

電氣特性

電源與輸出特性

LTC1067和LTC1067 - 50在不同電源電壓和負(fù)載條件下，具有不同的輸出電壓擺幅和短路電流。例如，在±5V電源、RL = 10k的條件下，LTC1067的正輸出電壓擺幅為4.15 - 4.50V，負(fù)輸出電壓擺幅為 - 4.96 - - 4.80V。這些電氣特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。

頻率特性與精度

兩款產(chǎn)品的中心頻率范圍、輸入頻率范圍、時(shí)鐘與中心頻率比等參數(shù)都有明確的規(guī)定。中心頻率誤差典型值小于±0.2%，Q值精度在不同條件下也能保持在±0.5 - ±2%之間。這些高精度的頻率特性使得濾波器在實(shí)際應(yīng)用中能夠準(zhǔn)確地處理信號(hào)，滿足各種應(yīng)用的需求。

典型性能特性

最大Q值與中心頻率關(guān)系

通過(guò)典型性能曲線可以看出，LTC1067和LTC1067 - 50的最大Q值與中心頻率之間存在一定的關(guān)系。在不同的電源電壓和工作模式下，最大Q值會(huì)有所變化。這對(duì)于工程師在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)選擇合適的工作模式和參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

噪聲與THD特性

噪聲和總諧波失真（THD）是衡量濾波器性能的重要指標(biāo)。文檔中的典型性能曲線展示了LTC1067和LTC1067 - 50在不同輸入電壓和頻率下的噪聲和THD特性。通過(guò)分析這些曲線，工程師可以了解濾波器在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。

引腳功能

電源與接地引腳

V + 和V - 引腳應(yīng)分別通過(guò)0.1μF電容旁路到合適的模擬地，濾波器的電源應(yīng)與其他數(shù)字或高壓模擬電源隔離。推薦使用低噪聲線性電源，以提高濾波器的信噪比。在電源上電時(shí)，其壓擺率應(yīng)小于1V/μs，以防止出現(xiàn)鎖存現(xiàn)象。

其他引腳功能

SA、SB引腳為求和輸入，其連接方式與其他電阻連接共同決定了每個(gè)二階部分的電路拓?fù)?。LPA、BPA等引腳為輸出引腳，每個(gè)二階部分有三個(gè)輸出，典型情況下可提供33mA的源電流和2mA的灌電流。INV A、INV B引腳為反相輸入，應(yīng)注意避免雜散電容耦合。AGND引腳為模擬地，濾波器性能依賴于模擬信號(hào)地的質(zhì)量。CLK引腳為時(shí)鐘輸入，應(yīng)選擇合適的時(shí)鐘源，并注意時(shí)鐘信號(hào)的布線和電平閾值。

工作模式

模式概述

Linear Technology的通用開(kāi)關(guān)電容濾波器具有固定的內(nèi)部標(biāo)稱f CLK / f 0 比，LTC1067為100:1，LTC1067 - 50為50:1。通過(guò)外部電阻可以實(shí)現(xiàn)不同的f CLK / f 0 比，不同的工作模式使用不同的外部電阻連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的頻率比。

常見(jiàn)工作模式

• 模式1：時(shí)鐘頻率與中心頻率比固定為標(biāo)稱值，可用于制作高階巴特沃斯低通濾波器、低Q陷波濾波器和級(jí)聯(lián)二階帶通功能。
• 模式1b：在模式1的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)電阻，可調(diào)整時(shí)鐘到中心頻率比，適用于高Q設(shè)計(jì)。
• 模式3：時(shí)鐘頻率與中心頻率比可在標(biāo)稱值上下調(diào)整，可用于制作高階全極點(diǎn)帶通、低通和高通濾波器。
• 模式2：是模式1和模式3的組合，時(shí)鐘到中心頻率比小于標(biāo)稱值，對(duì)電阻公差的靈敏度較低，具有高通 - 陷波輸出。
• 模式3a：在模式3的基礎(chǔ)上，通過(guò)外部電阻求和高、低通輸出，可創(chuàng)建陷波輸出。
• 模式2n：將模式3a的電路拓?fù)鋽U(kuò)展到模式2，可創(chuàng)建低通陷波輸出，適用于低通橢圓設(shè)計(jì)。

應(yīng)用信息

輸入偏移與輸出偏移

開(kāi)關(guān)電容積分器通常比離散RC積分器具有更高的輸入偏移，主要是由于CMOS開(kāi)關(guān)向集成電容注入電荷以及運(yùn)算放大器的偏移。文檔中給出了不同模式和輸出引腳的輸出偏移電壓公式，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些因素，以確保濾波器的性能。

工作限制

通過(guò)典型性能曲線中的最大Q值與頻率關(guān)系圖，可以確定每個(gè)二階部分的工作Q值上限。當(dāng)通帶增益誤差開(kāi)始超過(guò)1dB時(shí)，可以使用電容C C 來(lái)減小增益誤差。在接近典型性能曲線定義的極限工作時(shí)，應(yīng)預(yù)期通帶增益變化為2dB或更多。

時(shí)鐘饋通與寬帶噪聲

時(shí)鐘饋通是指濾波器輸出引腳處存在的時(shí)鐘頻率及其諧波的RMS值，可通過(guò)添加簡(jiǎn)單的RC低通網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低。寬帶噪聲是設(shè)備噪聲譜密度的總RMS值，用于確定工作信噪比，其大部分頻率成分位于濾波器通帶內(nèi)，難以通過(guò)后濾波降低。

混疊與輸出負(fù)載

混疊是開(kāi)關(guān)電容濾波器固有的現(xiàn)象，當(dāng)輸入信號(hào)頻率滿足一定條件時(shí)會(huì)發(fā)生。輸出負(fù)載問(wèn)題可分為電阻性負(fù)載和電容性負(fù)載影響。電阻性負(fù)載會(huì)影響最大輸出信號(hào)擺幅，電容性負(fù)載會(huì)降低運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性，應(yīng)避免使用過(guò)長(zhǎng)的走線和同軸電纜，探頭應(yīng)使用10×探頭。

未使用部分的處理

如果LTC1067或LTC1067 - 50作為單二階濾波器使用，未使用的二階部分應(yīng)正確連接，避免輸入和輸出浮空導(dǎo)致振蕩。

單電源輸出電壓擺幅

單電源下的輸出電壓擺幅受運(yùn)算放大器輸出特性、AGND引腳偏置和工作模式反相的影響。可以通過(guò)調(diào)整AGND電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的負(fù)輸出擺幅，以滿足特定應(yīng)用的需求。

半定制濾波器程序與演示板

Linear Technology提供半定制濾波器程序，可根據(jù)特定應(yīng)用定制完全集成的濾波器。此外，還有LTC1067/LTC1067 - 50的演示板，方便工程師進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

總結(jié)

LTC1067/LTC1067 - 50作為一款功能強(qiáng)大的通用雙二階濾波器構(gòu)建模塊，具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要充分了解其電氣特性、工作模式和應(yīng)用要點(diǎn)，結(jié)合具體應(yīng)用需求，合理選擇參數(shù)和工作模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的濾波效果。同時(shí)，要注意處理好電源、接地、負(fù)載等問(wèn)題，確保濾波器的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對(duì)電子工程師在使用LTC1067/LTC1067 - 50進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類似濾波器的應(yīng)用難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題。