MAX7490/MAX7491通用開關(guān)電容濾波器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，我們常常面臨著對(duì)性能、功耗、靈活性等多方面的考量。Maxim公司的MAX7490和MAX7491雙通用開關(guān)電容濾波器，為我們提供了一個(gè)出色的解決方案。今天，就讓我們一起深入探討這兩款濾波器的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景。

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1. 產(chǎn)品概述

MAX7490/MAX7491由兩個(gè)相同的低功耗、低電壓、寬動(dòng)態(tài)范圍、軌到軌的二階開關(guān)電容模塊組成。每個(gè)濾波器部分與兩到四個(gè)外部電阻配合，可實(shí)現(xiàn)所有標(biāo)準(zhǔn)的二階功能，如帶通、低通、高通和陷波（帶阻），且其中三種功能可同時(shí)實(shí)現(xiàn)。通過將兩個(gè)二階濾波器部分級(jí)聯(lián)，可獲得四階濾波器，同理，多個(gè)MAX7490/MAX7491級(jí)聯(lián)可輕松創(chuàng)建更高階的濾波器。

時(shí)鐘選項(xiàng)

該濾波器提供兩種時(shí)鐘選項(xiàng)：自時(shí)鐘（通過使用外部電容器）或外部時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)更精確的截止頻率控制。時(shí)鐘與中心頻率之比為100:1，采樣頻率是時(shí)鐘頻率的兩倍，進(jìn)一步分離了截止頻率和奈奎斯特頻率。

電源供應(yīng)

MAX7490采用單+5V電源供電，MAX7491采用單+3V電源供電。兩款器件均具有低功耗關(guān)斷模式，并采用16引腳QSOP封裝。

2. 產(chǎn)品特點(diǎn)

高性能指標(biāo)

• 高精度：Q精度為±0.2%，時(shí)鐘與中心頻率誤差為±0.2%。
• 寬頻率范圍：中心頻率高達(dá)40kHz。
• 軌到軌輸入輸出：支持單電源軌到軌操作。

低功耗設(shè)計(jì)

在關(guān)斷模式下，電源電流小于1μA，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

靈活的時(shí)鐘選擇

內(nèi)部或外部時(shí)鐘可選，滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

多種濾波器功能

可實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通和陷波濾波器，且易于級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多極點(diǎn)濾波器。

3. 電氣特性

濾波器特性

• 中心頻率范圍：在模式1下為0.001至40kHz。
• 時(shí)鐘與中心頻率精度：在特定條件下，偏差小于±0.7%。
• Q精度：特定條件下偏差小于±2%。

時(shí)鐘特性

• 最大時(shí)鐘頻率：4MHz。
• 內(nèi)部振蕩器頻率：可通過外部電容進(jìn)行調(diào)整。

電源要求

• 電源電壓：MAX7490為4.5至5.5V，MAX7491為2.7至3.6V。
• 電源電流：在無(wú)外部負(fù)載的模式1下，典型值為3.5mA。

4. 引腳說明

5. 詳細(xì)設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)

外部時(shí)鐘

使用外部時(shí)鐘時(shí)，將EXTCLK引腳拉高或連接到VDD，CLK引腳用CMOS邏輯電平驅(qū)動(dòng)。外部時(shí)鐘頻率的變化可調(diào)整濾波器的中心頻率，公式為 (f{o} = f{CLK} / 100) 。

內(nèi)部時(shí)鐘

使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，將EXTCLK引腳拉低或連接到GND，并在CLK和GND之間連接一個(gè)電容（COSC）。振蕩器頻率由電容值決定，公式為 (f{osc} (kHz)=135 × 10^{3} / C{osc}(pF)) 。

二階濾波器階段

MAX7490/MAX7491是雙二階濾波器，二階拓?fù)湓试S使用標(biāo)準(zhǔn)濾波器表和方程來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)的低通、帶通和陷波或高通濾波器，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾、橢圓以及自定義算法。

內(nèi)部公共電壓

COM引腳設(shè)置共模輸入電壓，內(nèi)部通過電阻分壓器偏置為VDD/2。可通過外部電壓源輕松覆蓋該偏置，需用至少0.1μF的電容將COM旁路到模擬地。

反相輸入

連接到INV的電阻應(yīng)盡可能靠近INV，以減少雜散電容和噪聲拾取。INV_是連續(xù)時(shí)間運(yùn)算放大器的反相輸入，表現(xiàn)為虛地。

輸出

每個(gè)開關(guān)電容部分與兩到四個(gè)外部電阻配合，可生成所有標(biāo)準(zhǔn)的二階功能。輸出信號(hào)的最大擺幅受電源電壓限制，放大器輸出可擺動(dòng)到接近任一電源的0.2V范圍內(nèi)。

低功耗關(guān)斷模式

將SHDN引腳拉低可激活關(guān)斷模式，此時(shí)濾波器電源電流降至小于1μA（最大），濾波器輸出變?yōu)楦咦杩?，COM輸入在關(guān)斷期間也變?yōu)楦咦杩?。正常操作時(shí)，將SHDN引腳拉高或連接到VDD。

6. 應(yīng)用信息

濾波器工作模式

MAX7490/MAX7491提供多種工作模式，每種模式具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

設(shè)計(jì)方程

不同模式下有相應(yīng)的設(shè)計(jì)方程，例如在模式1中：

[Q=frac{R{3}}{R{2}}] [f{notch} = f{O}] [H{OLP}=frac{-R{2}}{R{1}}] [f{O}=frac{f{CLK}}{100}] [H{OBP}=frac{-R{3}}{R{1}}] [H{ON 1}( as f to 0Hz)=frac{-R{2}}{R{1}}] [H{ON 2}left(right. at left.f=f{CLK} / 2right)=frac{-R{2}}{R_{1}}]

7. 注意事項(xiàng)

輸入信號(hào)幅度范圍

最佳輸入信號(hào)范圍應(yīng)通過觀察給定拐角頻率下信號(hào)與噪聲加失真（SINAD）比最大時(shí)的電壓電平來(lái)確定。在大多數(shù)系統(tǒng)中，輸入信號(hào)應(yīng)盡可能大，以最大化信噪比（SNR），同時(shí)要留有足夠的余量以確保在預(yù)期操作條件下無(wú)信號(hào)削波。

抗混疊和DAC后濾波

使用MAX7490/MAX7491進(jìn)行抗混疊或DAC后濾波時(shí)，應(yīng)使DAC（或ADC）和濾波器時(shí)鐘同步，否則拍頻可能會(huì)混疊到所需通帶中。

混疊

混疊是大多數(shù)開關(guān)電容濾波器固有的現(xiàn)象，輸入信號(hào)中高于采樣率一半的頻率分量將被混疊?？墒褂煤?jiǎn)單的無(wú)源RC低通輸入濾波器來(lái)消除可能被混疊的輸入頻率。

時(shí)鐘饋通

時(shí)鐘饋通可通過在最終濾波器輸出端添加簡(jiǎn)單的RC低通網(wǎng)絡(luò)來(lái)大大降低，應(yīng)選擇盡可能低的截止頻率以提供最大的噪聲衰減。

寬帶噪聲

濾波器的寬帶噪聲主要取決于每個(gè)濾波器部分的Q值和級(jí)聯(lián)順序。在多級(jí)濾波器中，應(yīng)首先放置Q值最高的部分以降低輸出噪聲。

8. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了一個(gè)4階10kHz帶通濾波器的典型應(yīng)用電路，可作為我們?cè)O(shè)計(jì)的參考。

總結(jié)

MAX7490/MAX7491雙通用開關(guān)電容濾波器具有高性能、低功耗、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種濾波應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的工作模式和參數(shù)，并注意一些關(guān)鍵問題，如時(shí)鐘同步、抗混疊等。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地理解和應(yīng)用這兩款濾波器。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎留言討論。