深度剖析 LTC1164：通用濾波器構(gòu)建模塊的卓越之選

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，濾波器的重要性不言而喻。無論是抗混疊濾波、電信濾波，還是頻譜分析等應(yīng)用場景，都離不開高性能濾波器的支持。今天，我們要深入探討的就是凌力爾特公司（Linear Technology）推出的一款明星產(chǎn)品——LTC1164 線性低功耗、低噪聲四通道通用濾波器構(gòu)建模塊。它以其出色的性能和靈活的設(shè)計，成為了眾多工程師的首選。

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二、產(chǎn)品特性

2.1 低功耗與集成度

LTC1164 在一個僅 0.3 英寸寬的封裝內(nèi)集成了四個濾波器，大大節(jié)省了電路板空間。同時，每個構(gòu)建模塊典型功耗僅為 850μA，在實現(xiàn)低功耗的同時，還能保證出色的噪聲和失真性能。這種低功耗特性使得它在對功耗要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，例如便攜式設(shè)備和電池供電系統(tǒng)。

2.2 低噪聲性能

與 LTC1059、60、61 系列設(shè)備相比，LTC1164 的噪聲降低了一半，為信號處理提供了更純凈的環(huán)境。在一些對噪聲敏感的應(yīng)用中，如音頻處理和高精度測量，低噪聲特性能夠顯著提高系統(tǒng)的性能和精度。

2.3 寬輸出擺幅

該器件具有寬輸出擺幅，能夠適應(yīng)不同的信號幅度要求。無論是處理小信號還是大信號，都能保證信號的完整性和準(zhǔn)確性。

2.4 時鐘與中心頻率比率

LTC1164 提供 50:1 和 100:1 的時鐘與中心頻率比率，并且可以同時實現(xiàn)這兩種比率。這種靈活性使得工程師能夠根據(jù)具體的應(yīng)用需求，精確調(diào)整濾波器的性能，滿足不同的設(shè)計要求。

2.5 電源適應(yīng)性

它可以在 ±2.37V 至 ±8V 的電源電壓范圍內(nèi)工作，支持單 5V 電源和雙電源供電。這種廣泛的電源適應(yīng)性使得 LTC1164 能夠在不同的電源環(huán)境下穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)的兼容性和可靠性。

2.6 定制版本

此外，還提供包含內(nèi)部薄膜電阻的定制單片版本，用戶可以根據(jù)自己的需求進行定制，進一步提高設(shè)計的靈活性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 抗混疊濾波器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，抗混疊濾波器是必不可少的環(huán)節(jié)。LTC1164 的低噪聲和寬輸出擺幅特性，能夠有效地濾除高頻噪聲，防止信號混疊，保證采集到的信號準(zhǔn)確可靠。

3.2 電信濾波器

在電信領(lǐng)域，對信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性要求極高。LTC1164 可以用于構(gòu)建各種類型的電信濾波器，如帶通濾波器、低通濾波器等，滿足不同通信系統(tǒng)的需求。

3.3 頻譜分析

頻譜分析需要對信號進行精確的頻率分析，LTC1164 的高性能和靈活性使得它能夠在頻譜分析中發(fā)揮重要作用，幫助工程師更好地了解信號的頻率特性。

3.4 環(huán)路濾波器

在鎖相環(huán)（PLL）等系統(tǒng)中，環(huán)路濾波器用于穩(wěn)定輸入信號和輸出信號之間的相位關(guān)系。LTC1164 可以作為環(huán)路濾波器的核心部件，提供穩(wěn)定的濾波性能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

對于固定低通濾波器要求，可使用 LTC1164 - XX 系列，以滿足特定的濾波需求。

四、電氣特性

4.1 電源電壓范圍

LTC1164 的電源電壓范圍為 ±2.37V 至 ±8V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。在不同的電源電壓下，其輸出電壓擺幅也有所不同，具體如下：

• 當(dāng) (V_S = ±2.5V) 時，輸出電壓擺幅為 ±1.6V；
• 當(dāng) (V_S = ±5.0V) 時，輸出電壓擺幅為 ±3.8V 至 ±4.2V；
• 當(dāng) (V_S = ±7.5V) 時，輸出電壓擺幅為 ±6.1V。

4.2 輸出短路電流

在 (V_S = ±5.0V) 的條件下，輸出短路電流（源/灌）為 1mA，這為系統(tǒng)的安全運行提供了保障。

4.3 直流開環(huán)增益和帶寬積

直流開環(huán)增益在 (V_S = ±5.0V) 時為 80dB，GBW 積為 2MHz，保證了濾波器在不同頻率下的性能。

4.4 壓擺率

壓擺率在 (V_S = ±5.0V) 時為 1.6V/μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號的變化，提高濾波器的動態(tài)性能。

4.5 中心頻率范圍和時鐘與中心頻率比率

中心頻率范圍為 0.1Hz 至 20kHz，時鐘與中心頻率比率有 50:1 和 100:1 兩種可選。不同型號的 LTC1164 在時鐘與中心頻率比率的精度上有所差異，例如 LTC1164A 在 50:1 和 100:1 比率下的精度為 ±0.5%，而 LTC1164 為 ±0.9%。

4.6 溫度系數(shù)

(fO) 溫度系數(shù)在 (f{CLK} ≤ 500kHz) 時為 ±1ppm/°C，(Q) 溫度系數(shù)在 (f_{CLK} ≤ 250kHz) 時為 ±5ppm/°C，保證了濾波器在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

4.7 最大時鐘頻率

不同工作模式下的最大時鐘頻率有所不同：

• 模式 1，當(dāng) (Q < 2.5) 且 (V_S ≥ ±7.0V) 時，最大時鐘頻率為 1.5MHz；
• 模式 3，當(dāng) (Q < 5) 且 (V_S ≥ ±5V) 時，最大時鐘頻率為 1.0MHz；
• 模式 3，當(dāng) (Q < 5) 且 (V_S = ±2.5V) 時，最大時鐘頻率為 500kHz。

4.8 時鐘饋通和直流偏移電壓

時鐘饋通在 (f_{CLK} ≤ 500kHz) 且 (VS = ±5V) 時為 200μVRMS，直流偏移電壓 (V{OS1}) 為 2 至 20mV，(V{OS2}) 和 (V{OS3}) 為 3 至 45mV。

4.9 電源電流

電源電流隨電源電壓和溫度的變化而變化，例如在 (V_S = ±2.5V) 時為 4mA，在 (V_S = ±5V) 且溫度 ≥ 25°C 時為 3.6 至 5mA 等。

五、工作模式

5.1 主要模式

5.1.1 模式 1

在模式 1 中，外部時鐘頻率與每個二階部分的中心頻率之比內(nèi)部固定為 50:1 或 100:1。它可以實現(xiàn)二階陷波、低通和帶通輸出，適用于制作高階巴特沃斯低通濾波器、低 (Q) 陷波濾波器以及級聯(lián)具有相同中心頻率和單位增益的二階帶通函數(shù)。需要注意的是，模式 1 只能在 4 個 LTC1164 部分中的 3 個部分實現(xiàn)，因為部分 D 沒有外部可用的求和節(jié)點，但在特殊要求下，部分 D 也可以在模式 1 中內(nèi)部連接。

5.1.2 模式 3

模式 3 是另一種主要模式，外部時鐘頻率與每個二階部分的中心頻率之比可以在 50:1 或 100:1 以上或以下進行調(diào)整。LTC1164 的部分 D 只能在模式 3 中連接，它可以實現(xiàn)高通、帶通和低通二階濾波器功能，適用于制作高階全極點帶通、低通、高通和陷波濾波器。當(dāng)內(nèi)部時鐘與中心頻率比率設(shè)置為 50:1 時，(Q) 和帶通增益的設(shè)計方程與 100:1 情況不同，這樣可以在不影響噪聲性能的前提下提高速度。

5.2 次要模式

5.2.1 模式 1b

模式 1b 是從模式 1 派生而來，通過添加兩個額外的電阻 (R_5) 和 (R_6)，可以調(diào)整從低通輸出到 SA（或 SB 或 SC）開關(guān)電容求和器輸入的電壓反饋量，從而使濾波器時鐘與中心頻率比率能夠調(diào)整到 50:1 或 100:1 以上，同時保持模式 1 的速度優(yōu)勢。

5.2.2 模式 2

模式 2 是模式 1 和模式 3 的組合，時鐘與中心頻率比率 (f{CLK} / f{0}) 始終小于 50:1 或 100:1。它的優(yōu)點是對電阻容差的敏感度比模式 3 低，并且與模式 1 一樣，具有取決于時鐘頻率的陷波輸出，陷波頻率小于中心頻率 (f_O)。

5.2.3 模式 3A

模式 3A 是模式 3 的擴展，通過兩個外部電阻 (R_H) 和 (R_L) 將高通和低通輸出求和以創(chuàng)建陷波。它比模式 2 更具通用性，因為陷波頻率可以高于或低于二階部分的中心頻率。在級聯(lián) LTC1164 的部分時，高通和低通輸出可以直接求和到下一部分的反相輸入。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于時鐘與截止頻率比率高于 100:1 的橢圓高通和陷波濾波器，有助于擴展允許的輸入信號頻率范圍并避免過早混疊。

六、典型應(yīng)用電路

6.1 8 階低通巴特沃斯濾波器

如圖 11 所示，該電路使用 LTC1164 構(gòu)建了一個 8 階低通巴特沃斯濾波器，通帶噪聲為 (90μV{RMS})。在 (f{CLK} = 500kHz) 時，(f_{-3dB} = 10kHz)，能夠有效地濾除高頻信號，提供平滑的低通濾波特性。

6.2 8 階低通單電源橢圓 - 貝塞爾過渡濾波器

圖 12 展示了一個 8 階低通單電源橢圓 - 貝塞爾過渡濾波器，總電源電流為 4mA，通帶噪聲為 50μVRMS。該電路在單 5V 電源下工作，適用于對電源要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場景。

6.3 8 階低通橢圓濾波器

圖 13 和圖 14 分別給出了不同參數(shù)下的 8 階低通橢圓濾波器電路，如 (f{CUTOFF} = 5kHz)，(f{CLK} = 250kHz) 時，在 10kHz 處達到 -78dB 的衰減，通帶噪聲為 (110μV_{RMS})，能夠滿足對濾波器性能要求較高的應(yīng)用。

6.4 9 階低通橢圓濾波器

圖 15 和圖 16 展示了一個 9 階低通橢圓濾波器，固定 (f{CUTOFF} = 4kHz)，(f{CLK} = 400kHz)，在 5kHz 處達到 -74dB 的衰減，通帶噪聲為 (210μV_{RMS})，為更復(fù)雜的濾波需求提供了解決方案。

七、應(yīng)用注意事項

7.1 接地和旁路

LTC1164 應(yīng)使用分離的模擬和數(shù)字接地平面以及單點接地技術(shù)。引腳 6（AGND）應(yīng)直接連接到模擬接地平面，引腳 7（(V^{+})）和引腳 19（(V^{-})）應(yīng)分別通過 0.1μF 陶瓷圓盤旁路到接地平面，以減少噪聲和紋波。對于單電源應(yīng)用，(V^{-}) 可以連接到模擬接地平面。所有模擬輸入應(yīng)直接參考單點接地，時鐘輸入應(yīng)與模擬電路屏蔽或遠(yuǎn)離，并使用單獨的數(shù)字接地平面。

7.2 濾波輸出緩沖

在驅(qū)動同軸電纜和 1x 示波器探頭時，應(yīng)緩沖濾波器輸出，特別是在使用高 (Q) 值設(shè)計特定濾波器時。不充分的緩沖可能會導(dǎo)致噪聲、失真、(Q) 和增益測量誤差。當(dāng)使用 10x 探頭時，通常不需要緩沖。在進行 THD 測試時，建議使用緩沖器，并確保緩沖器充分旁路以最小化時鐘饋通。

7.3 偏移歸零

對于一些用戶來說，低通濾波器可能存在過大的直流偏移?？梢允褂盟欧娐穪碇鲃託w零 LTC1164 或任何 LTC 開關(guān)電容濾波器的偏移，如圖 5 所示的電路可以將偏移歸零到優(yōu)于 300μV，但由于積分器極點頻率的原因，該電路需要幾秒鐘才能穩(wěn)定。

7.4 噪聲處理

所有提到的噪聲性能均不包括時鐘饋通。如果不采用上述接地、旁路和緩沖技術(shù)，噪聲測量結(jié)果將會變差。典型性能特性部分中的寬帶噪聲與 (Q) 曲線能夠很好地反映該器件的噪聲性能。

八、總結(jié)

LTC1164 作為一款高性能的通用濾波器構(gòu)建模塊，具有低功耗、低噪聲、寬輸出擺幅、靈活的時鐘與中心頻率比率等諸多優(yōu)點。它在多個應(yīng)用領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)，并且提供了多種工作模式和定制選項，能夠滿足不同工程師的設(shè)計需求。在實際應(yīng)用中，只要注意接地、旁路、緩沖和偏移歸零等問題，就能夠充分發(fā)揮 LTC1164 的性能優(yōu)勢，為電子系統(tǒng)的設(shè)計提供可靠的濾波解決方案。你在使用 LTC1164 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。