MAX280/MXL1062：5階零直流誤差低通濾波器的深度解析

在電子設計領域，濾波器是信號處理中不可或缺的關鍵組件。今天，我們將深入探討一款性能卓越的濾波器——MAX280/MXL1062 5階零直流誤差低通濾波器，詳細剖析其特性、應用以及設計要點。

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一、產品概述

MAX280/MXL1062 是一款 5 階全極點儀表低通濾波器，具有零直流誤差的顯著特點。它通過外部電阻和電容將集成電路與直流信號路徑隔離，從而實現了出色的直流精度。該濾波器擁有諸多吸引人的特性：

1. 零直流誤差：確保了在處理直流信號時的高精度。
2. 低通帶噪聲：有效減少了通帶內的噪聲干擾。
3. 截止頻率范圍廣：從直流到 20kHz，能滿足多種不同的應用需求。
4. 可級聯性：兩個 MAX280/MXL1062 可以級聯形成 10 階低通濾波器，進一步提高濾波性能。
5. 多種封裝選擇：提供 8 引腳 DIP 或 16 引腳 SOIC 封裝，方便不同的 PCB 布局設計。

二、技術參數與特性

（一）時鐘與截止頻率

濾波器的截止頻率由內部時鐘設置，且時鐘可外部驅動，時鐘與截止頻率的比率為 100:1，這使得時鐘紋波易于去除。例如，若需要 10kHz 的截止頻率，只需提供 1MHz 的時鐘信號。

（二）增益特性

在不同的輸入頻率下，濾波器具有特定的增益表現。如在 fIN = 0、0.5fC、fC、2fC 和 4fC 等不同頻率點，增益會有相應的變化，這些數據可在電氣特性表中詳細查看。

（三）引腳功能

各引腳具有明確的功能：

• FB：外部電容通過此引腳與芯片耦合。
• AGND：雙電源操作的接地引腳，單電源操作時連接到系統或中間電源。
• V -：負電源電壓引腳。
• DIVIDER RATIO：用于設置時鐘與截止頻率的比率，通過連接不同的電壓（V +、GND、V -）可實現 100:1、200:1 和 400:1 的比率。
• Cosc：外部時鐘的時鐘輸入引腳，內部時鐘操作時需在此引腳和地之間連接外部電容。
• V +：正電源電壓引腳。
• OUT：片上緩沖放大器的輸入引腳。
• BouT：緩沖放大器的輸出引腳。

三、設計要點

（一）時鐘源選擇

1. 內部振蕩器

內部 140kHz（標稱）的振蕩器頻率可通過在 Cosc 引腳與地（或 V -）之間連接外部電容來修改。計算公式為： [f{O S C}=140 kHzleft(33 pF /left(33 pF+C{OSC}right)right)] 由于工藝公差，MXL1062 中 fosc 可變化 ±62.5%，而 MAX280 通過片上調諧將 fosc 公差降低到 ±19.5%。還可通過在電容和 Cosc 引腳之間添加串聯電位器來調整振蕩器頻率，新頻率計算公式為： [f{osc }=f{osc } /left(1-4 R C{osc } f{osc }right)]

2. 外部時鐘

若使用外部時鐘，Cosc 引腳的輸入必須接近電源軌（V +、V -）。不同電源電壓下，內部施密特觸發器感應 Cosc 引腳的典型觸發電平不同。

（二）外部電阻和電容選擇

外部電阻和電容作為濾波器反饋回路的一部分，同時形成一個極點。為實現最大平坦度（如巴特沃斯濾波器），時鐘應是所需截止頻率的 100 倍，且滿足 (frac{f_{C}}{1.62}=frac{1}{2 pi R C})。通常 R 選擇在 20k 左右，其最小值取決于最大輸入信號和 FB 引腳的電流吸收能力。對于寬溫度范圍應用，推薦使用 NPO 陶瓷電容器，因其溫度系數約為 ±20ppm。

四、應用場景

（一）抗混疊濾波

在采樣系統中，該濾波器可有效防止信號混疊，確保采樣信號的準確性。

（二）數據記錄器

用于記錄模擬信號時，可去除高頻噪聲，提高數據記錄的質量。

（三）數字電壓表

保證測量的直流精度，減少噪聲干擾對測量結果的影響。

（四）稱重秤和應變計

在這些對精度要求較高的應用中，零直流誤差的特性可確保測量的準確性。

五、電路設計實例

（一）單電源操作

單電源操作時，AGND 引腳和 OUT 引腳應偏置在 1/2 電源。電阻 R1 和 R2 的值應選擇為導通 100uA 或更多。若輸入電壓的直流值接近 1/2 電源，則不需要 R' 和 C'。同時，AGND 引腳應通過去耦電容旁路。

（二）級聯應用

兩個 MAX280/MXL1062 可級聯形成更高階的濾波器。簡單級聯時，第一個芯片的無緩沖輸出直接驅動下一級輸入；若使用緩沖輸出驅動下一級輸入，可減少負載影響，降低通帶增益誤差。

（三）陷波濾波器設計

利用 MAX280/MXL1062 在通帶內 -180° 相移的特性，可創建陷波濾波器。通過將輸入信號與濾波器輸出相加，可在特定頻率處形成陷波。例如，要獲得 60Hz 陷波，時鐘頻率應為 7.098kHz。

六、總結

MAX280/MXL1062 5 階零直流誤差低通濾波器以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在信號處理領域提供了一個強大的工具。在實際設計中，合理選擇時鐘源、外部電阻和電容，以及靈活運用其級聯和陷波等功能，可滿足不同應用場景的需求。希望本文能為電子工程師們在使用這款濾波器時提供有益的參考。大家在實際應用中是否遇到過類似濾波器的設計難題呢？歡迎在評論區分享交流。