MAX270/MAX271 數字可編程雙二階連續時間低通濾波器詳解

引言

在電子設計領域，濾波器的性能對于信號處理至關重要。Maxim Integrated公司的MAX270/MAX271數字可編程雙二階連續時間低通濾波器，憑借其出色的性能和靈活的可編程特性，成為眾多信號處理應用的理想選擇。接下來，我們深入了解這款濾波器的特點、參數及應用。

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產品概述

MAX270/MAX271是數字可編程的雙二階連續時間低通濾波器。其典型動態范圍達96dB，遠超多數開關電容濾波器，且無需額外濾波來消除時鐘噪聲。它適用于抗混疊和DAC平滑等應用，還可級聯實現高階響應。

主要區別

• MAX270：內置一個未使用的運算放大器。
• MAX271：具有一個內部跟蹤保持（T/H）電路。

產品特性

1. 連續時間濾波：無需時鐘，避免了時鐘噪聲問題。
2. 雙二階低通濾波器：每個濾波器部分可獨立編程，截止頻率范圍為1kHz至25kHz。
3. 高動態范圍：96dB的動態范圍，確保了良好的信號處理能力。
4. 無需外部組件：簡化了設計，減少了電路板空間。
5. 可級聯設計：能夠級聯以實現更高階的濾波響應。
6. 低功耗關機模式：通過SHDN引腳控制，可降低功耗。
7. 跟蹤保持功能（MAX271）：適用于需要采樣和保持信號的應用。

產品參數

絕對最大額定值

在設計時需注意其絕對最大額定值，如電源電壓V + 到 V - 為+17V，V - 到GND為 - 0.3V至 - 8.5V等。超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

電氣特性

• 濾波器特性：工作頻率范圍可達2MHz，可編程截止頻率范圍為1kHz至25kHz，不同編程代碼下的截止頻率誤差和濾波器增益等參數也有明確規定。
• 直流特性：包括輸出信號擺幅、失調電壓和輸入泄漏電流等參數。
• 動態濾波器特性：如總諧波失真、信號噪聲加失真和無雜散動態范圍等。
• 未使用運算放大器（MAX270）：具有1.2V/μs的壓擺率和2MHz的帶寬。
• 跟蹤保持（MAX271）：保持建立時間為500ns，采集時間為1.8μs等。
• 數字輸入：數字輸入高電壓為2.4V，低電壓為0.8V等。
• 電源要求：電源電壓范圍為±2.375V至±8V，靜態電流等參數也有相應規定。

時序特性

規定了CS到WR的建立和保持時間、WR脈沖寬度、地址和數據的建立和保持時間等參數，確保正確的編程操作。

典型工作特性

濾波器增益與頻率關系

不同溫度和截止頻率編程代碼下，濾波器增益隨頻率變化的曲線展示了其頻率響應特性。

級聯濾波器增益與頻率關系

級聯時的增益與頻率曲線，為實現高階濾波提供了參考。

濾波器諧波失真

展示了濾波器在不同條件下的諧波失真情況。

總諧波失真加噪聲與輸入頻率和幅度關系

這些曲線有助于評估濾波器在不同輸入條件下的性能。

MAX271濾波器加跟蹤保持的無雜散動態范圍

與輸入頻率、幅度和采樣頻率的關系，對于需要高精度采樣的應用非常重要。

詳細工作原理

濾波器架構

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，可提供約40dB/十倍頻程的頻率與增益滾降。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。

編程模式

• FP模式：通過將7位數據寫入兩個內存地址之一來編程截止頻率。
• 引腳固定編程模式：同時對兩個濾波器部分進行編程，兩個內存鎖存器透明，數據引腳D0 - D6可硬連線設置共同的截止頻率。

  濾波器調節

  在晶圓級進行調節，當截止頻率編程為1kHz時，通帶最大峰值為0.15dB，其他代碼下典型通帶峰值小于0.15dB。

  額外功能模塊

• MAX270：包含一個未使用的運算放大器（同相輸入接地）。
• MAX271：具有片上跟蹤保持電路，可跟蹤和保持任一濾波器部分的輸出。

關機模式

通過SHDN引腳控制，可關閉內部放大器并斷開所有輸出，將靜態工作電流降低至小于15μA。在MAX271的FP模式下，可通過寫入控制位到內存來選擇關機模式。

引腳描述

MAX270引腳

MAX271引腳（不同模式）

在FP模式下，不同的地址輸入組合可實現濾波器截止頻率編程和跟蹤保持功能控制。在引腳固定模式下，數據引腳D0 - D6可直接控制濾波器的截止頻率。

濾波器編程與控制

截止頻率編程

通過數據引腳D0 - D6可對128個截止頻率進行編程，范圍為1kHz至25kHz。計算公式如下：

• 對于代碼0 - 63：(f{C}=frac{87.5}{87.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=1 kHz) 到 (3.57 kHz)）
• 對于代碼64 - 127：(f{C}=frac{262.5}{137.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=3.57 kHz) 到 (25 kHz)）

實際截止頻率會有一定誤差，在CODE = 0時精度最高，CODE = 127時頻率誤差通常在±9.5%以內。

控制接口

• MAX270控制接口：A0引腳為三級輸入，可選擇內存地址來更新截止頻率數據。將A0連接到負電源可選擇引腳固定模式。SHDN引腳低電平可關閉所有放大器。
• MAX271控制接口：MODE引腳連接到GND或V - 可選擇FP模式，不同的地址輸入組合可實現不同的功能。將MODE連接到V + 可選擇引腳固定模式。

性能分析

輸出驅動能力

所有輸出設計為驅動5kΩ與最大100pF電容并聯的負載，在更高負載水平下，輸出擺幅會變得不對稱。所有輸出可無限期短路到GND。

噪聲特性

帶寬為50kHz時，當截止頻率分別編程為1kHz和25kHz，每部分的寬帶濾波器噪聲分別為12μVRMS和38μVRMS，動態范圍超過96dB。

輸入阻抗

直流時，INA和INB的輸入阻抗約為5MΩ，在25kHz時，有效輸入阻抗可能低至100kΩ。

MAX271跟蹤保持性能

相當于一個由單位增益放大器緩沖的開關200pF電容。T/H引腳低電平時，輸出跟隨濾波器輸出；高電平時，保持存儲的電荷。T/H EN引腳低電平可斷開T/H OUT，實現多路復用操作。

應用信息

電源配置

電源必須適當旁路，最佳性能是將V + 和V - 通過4.7μF電解電容（鉭電容優先）和0.1μF陶瓷電容并聯到GND。可使用4.75V至16V的單電源供電，但數字邏輯建議使用CMOS（軌到軌）邏輯。

無μP獨立編程

可通過MAX690 μP監控電路和74HC373數據緩沖器，在電路上電時為濾波器A和B加載獨立的截止頻率數據。

總結

MAX270/MAX271數字可編程雙二階連續時間低通濾波器以其高動態范圍、靈活的編程特性和豐富的功能，為電子工程師在信號處理領域提供了強大的工具。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇濾波器的型號、配置參數和電源等，以充分發揮其性能優勢。你在使用這款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。