探索MAX270/MAX271：數字編程雙二階連續低通濾波器的卓越性能

在電子設計領域，低通濾波器是一個關鍵的組成部分，它在信號處理、抗混疊等方面發揮著重要作用。今天我們要深入了解的是Maxim Integrated推出的MAX270/MAX271數字編程雙二階連續低通濾波器，它具有諸多出色的特性，能滿足多種應用需求。

文件下載：MAX270.pdf

一、產品概述

MAX270/MAX271是數字編程的雙二階連續時間低通濾波器，其典型動態范圍達到96dB，遠超大多數需要額外濾波以去除時鐘噪聲的開關電容濾波器。這兩款濾波器適用于抗混疊和DAC平滑應用，并且可以級聯以實現更高階的響應。

主要差異

MAX270帶有一個片上未使用的運算放大器，而MAX271則具備內部跟蹤保持（T/H）功能。

應用場景

廣泛應用于低通濾波、抗混疊濾波、輸出平滑、低噪聲應用以及抗混疊和跟蹤保持（MAX271）等領域。

二、產品特性

連續時間濾波

無需時鐘，避免了時鐘噪聲問題，為低噪聲應用提供了良好的解決方案。

雙二階低通濾波器

兩個濾波器部分可獨立編程，截止頻率范圍在1kHz至25kHz之間，用戶可以根據實際需求靈活選擇。

高動態范圍

96dB的動態范圍確保了信號處理的準確性和穩定性。

無需外部組件

這一特性簡化了電路設計，降低了成本和電路板空間需求。

可級聯性

可以級聯多個濾波器以實現更高階的響應，滿足更復雜的濾波需求。

低功耗關斷模式

通過SHDN引腳控制，可將靜態工作電流降低到小于15μA，節省能源。

三、電氣特性

絕對最大額定值

在使用過程中，需要注意電源電壓、輸入電壓、輸出短路持續時間等參數的絕對最大額定值，以避免對器件造成永久性損壞。例如，V+到GND的電壓范圍為-0.3V至+17V，V -到GND的電壓范圍為-0.3V至-8.5V等。

電氣特性參數

• 濾波器特性：包括工作頻率范圍、編程截止頻率范圍、截止頻率誤差、濾波器增益、最大增益（峰值）、寬帶噪聲等。例如，編程截止頻率范圍為1kHz至25kHz，不同代碼對應的截止頻率誤差有所不同。
• 直流特性：如直流輸出信號擺幅、輸出失調電壓、直流輸入泄漏電流等。
• 動態濾波器特性（MAX270）：總諧波失真、信號噪聲加失真、無雜散動態范圍等。
• 未使用的放大器（MAX270）：壓擺率和帶寬等參數。
• 跟蹤和保持（MAX271）：保持建立時間、采集時間、保持階躍、下垂率、T/H輸出失調電壓、T/H輸出禁用時的泄漏電流、總諧波失真、無雜散動態范圍等。
• 數字輸入：數字輸入高電壓、數字輸入低電壓、數字輸入電流等。
• 電源要求：電源電壓范圍、電源電流、關斷電源電流、電源抑制比等。

四、詳細描述

功能框圖

MAX270和MAX271都包含兩個獨立的二階Sallen - Key低通濾波器部分A和B，提供約40dB/十倍頻的頻率與增益滾降。它們采用連續時間設計，消除了開關電容濾波器的時鐘噪聲和混疊問題。

濾波器編程

每個濾波器部分包含兩組可編程電容器，由內部7位存儲器控制，可將濾波器截止頻率（fC）設置為1kHz至25kHz。濾波器提供兩種編程模式：FP模式和引腳綁定編程模式。

• FP模式：通過將7位數據寫入兩個存儲器地址之一（每個濾波器部分一個）來編程截止頻率。
• 引腳綁定編程模式：同時對兩個濾波器部分進行編程，此時內部存儲器鎖存器透明，數據引腳D0 - D6可直接連接以設置共同的fC。

濾波器調整

濾波器在晶圓級進行調整，當fC編程為1kHz時，通帶峰值最大為0.15dB，其他代碼下的通帶峰值通常小于0.15dB。

附加功能

MAX270包含一個未使用的運算放大器，MAX271具有片上T/H，可跟蹤和保持任一濾波器部分的輸出。T/H功能可通過寫入控制位到內部寄存器（FP模式）或直接通過控制引腳（引腳綁定模式）進行控制。

關斷模式

MAX270和MAX271提供低靜態電流關斷模式，通過SHDN引腳控制，可關閉內部放大器并斷開所有輸出。

五、引腳描述

MAX270引腳

MAX271引腳

在不同模式下，引腳具有不同的功能。例如，在μP模式下，地址可編程存儲器控制濾波器截止頻率編程和所有T/H功能；在引腳綁定模式下，數據引腳D0 - D6直接控制濾波器A和B的fC。

六、濾波器編程與控制

截止頻率計算

根據編程代碼，可使用以下公式計算截止頻率：

• 對于代碼0 - 63（fC = 1kHz至3.57kHz）：[f_{C}=frac{87.5}{87.5 - CODE} × 1 kHz]
• 對于代碼64 - 127（fC = 3.57kHz至25kHz）：[f_{C}=frac{262.5}{137.5 - CODE} × 1 kHz]

實際截止頻率會存在一定誤差，最高精度出現在CODE = 0時，此時濾波器調整為1kHz截止頻率。

控制接口

• MAX270控制接口：A0引腳為三級輸入，選擇存儲器地址以更新截止頻率數據。連接A0到負電源可選擇引腳綁定模式，SHDN引腳低電平可關閉所有放大器并斷開輸出。
• MAX271控制接口：MODE引腳連接到GND或V -選擇μP模式，連接到V +選擇引腳綁定模式。在不同模式下，地址和數據引腳具有不同的功能。

七、性能與應用注意事項

濾波器性能

內部放大器和輸出級設計用于驅動5kΩ并聯最大100pF的負載，工作頻率范圍受內部放大器帶寬限制約為2MHz。

濾波器噪聲

在50kHz帶寬內，當fC編程為1kHz和25kHz時，寬帶濾波器噪聲分別為12μVRMS和38μVRMS。

濾波器輸入阻抗

直流時，INA和INB的輸入阻抗約為5MΩ，高頻時，內部電容器會使有效輸入阻抗降低，在25kHz時可能低至100kΩ。

電源配置

電源必須正確旁路，建議使用4.7μF電解電容（鉭電容優先）和0.1μF陶瓷電容并聯旁路V +和V -到GND。單電源供電時，需注意邏輯閾值電壓和CMOS邏輯接口的使用。

獨立fC編程

可在不使用μP的情況下，通過MAX690 μP監控電路和74HC373數據緩沖器對濾波器A和B進行不同截止頻率的編程。

八、總結

MAX270/MAX271數字編程雙二階連續低通濾波器以其豐富的特性、良好的電氣性能和靈活的編程方式，為電子工程師在信號處理、抗混疊等領域提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，工程師需要根據具體需求合理選擇濾波器的參數和工作模式，并注意電氣特性和應用注意事項，以確保電路的穩定性和可靠性。你在使用類似濾波器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。