MAX7418–MAX7425：5階低通開關電容濾波器的卓越之選

在電子設計領域，濾波器的性能往往對整個系統的穩定性和信號質量起著關鍵作用。今天要給大家介紹的是Analog Devices公司的MAX7418–MAX7425系列5階低通開關電容濾波器（SCFs），它在低功耗、高性能等方面有著出色的表現，適用于多種應用場景。

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一、產品概述

MAX7418–MAX7425系列濾波器可分為兩組，MAX7418–MAX7421采用單+5V電源供電，而MAX7422–MAX7425則使用單+3V電源。其工作電流僅為3mA，截止頻率范圍從1Hz到45kHz，這使得它在低功耗數模轉換器（DAC）后置濾波和抗混疊應用中表現優異。同時，該系列具備關機模式，可將電源電流降至0.2μA，進一步節省能耗。

在時鐘選項方面，用戶可以選擇自時鐘模式（通過使用外部電容）或外部時鐘模式，以實現更精確的截止頻率控制。此外，還有一個偏移調整引腳，可用于調整直流輸出電平。

二、不同類型濾波器特性

1. 橢圓濾波器（Elliptic）

MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425屬于橢圓低通濾波器，具有陡峭的過渡特性和良好的阻帶抑制能力。其中，MAX7418/MAX7422的過渡比為1.6，典型阻帶抑制為53dB；MAX7421/MAX7425的過渡比為1.25，過渡更為陡峭，典型阻帶抑制為37dB。橢圓濾波器特別適用于單電源系統中的抗混疊和DAC后置濾波應用。

2. 貝塞爾濾波器（Bessel）

MAX7419/MAX7423是貝塞爾低通濾波器，它能夠對所有頻率成分進行均勻延遲，保持階躍輸入的波形形狀（受高頻衰減影響）。貝塞爾濾波器的快速穩定特性使其在使用多路復用器（mux）選擇輸入信號的模數轉換器（ADC）應用中非常重要。

3. 巴特沃斯濾波器（Butterworth）

MAX7420/MAX7424為巴特沃斯低通濾波器，提供了最大平坦的通帶響應，這使其非常適合需要在整個通帶內保持與直流增益最小偏差的儀器儀表應用。

三、時鐘信號選擇

1. 外部時鐘

該系列濾波器設計用于占空比為40% - 60%的外部時鐘。使用外部時鐘時，需用由0到VDD供電的CMOS門驅動CLK引腳。通過改變外部時鐘的速率，可以調整濾波器的截止頻率，公式為：(f{C}=frac{f{CLK}}{100})。

2. 內部時鐘

當使用內部振蕩器時，CLK引腳的電容（(C{OSC})）決定了振蕩器的頻率。不同型號的計算公式有所不同，對于MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425，(f{OSC(kHz)}=frac{87×10^{3}}{C{OSC}(pF)})；對于MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424，(f{OSC(kHz)}=frac{110×10^{3}}{C{OSC}(pF)})。由于(C{OSC})的值處于低皮法級別，因此需要盡量減小CLK引腳的雜散電容，以避免影響內部振蕩器的頻率。同樣，通過改變內部振蕩器的速率，可按100:1的時鐘與截止頻率比調整濾波器的截止頻率。

四、輸入阻抗與時鐘頻率關系

MAX7418–MAX7425的輸入阻抗實際上相當于一個開關電容電阻，其與頻率成反比。輸入阻抗可以通過公式(Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} × C{IN})})估算，其中(C{IN}=1 pF)。由于輸入電流不連續，該公式計算出的值代表平均輸入阻抗。在設計時，建議使用輸出電阻小于濾波器輸入阻抗10%的驅動源。

五、低功耗關機模式

該系列濾波器具備關機模式，只需將SHDN引腳驅動為低電平即可激活。在關機模式下，濾波器的電源電流降至0.2μA，輸出變為高阻抗狀態。要恢復正常操作，將SHDN引腳驅動為高電平或連接到VDD即可。

六、應用注意事項

1. 偏移和共模輸入調整

COM引腳用于設置共模輸入電壓，它通過內部電阻分壓器偏置在電源中點。如果不需要偏移調整，可將OS引腳連接到COM引腳。對于需要偏移調整的應用，可通過電阻分壓器網絡向OS引腳施加外部偏置電壓。輸出電壓可由公式(V{OUT }=(V{IN }-V{COM })+V{OS})表示，其中(V{COM}=frac{V{DD}}{2}) 。需要注意的是，大幅改變COM或OS引腳的電壓會降低動態范圍。

2. 電源供應

MAX7418–MAX7421使用單+5V電源，MAX7422–MAX7425使用單+3V電源。在設計時，需用0.1μF的電容將VDD引腳旁路到GND。如果需要雙電源供電，可將COM引腳連接到系統地，GND引腳連接到負電源。單電源和雙電源的性能是等效的，在這兩種電源模式下，都需將CLK和SHDN引腳的驅動范圍設置為從GND到VDD。

3. 輸入信號幅度范圍

最佳輸入信號范圍可通過觀察給定截止頻率下信號與噪聲加失真（SINAD）比最大時的電壓電平來確定。在典型工作特性曲線中，可以看到總諧波失真加噪聲（THD + Noise）響應隨輸入信號峰 - 峰值幅度的變化情況。

4. 抗混疊和DAC后置濾波

在將MAX7418–MAX7425用于抗混疊或DAC后置濾波時，需要使DAC（或ADC）和濾波器的時鐘同步。如果時鐘不同步，拍頻可能會混疊到所需的通帶中。

5. 諧波失真

濾波器內部的非線性特性會產生諧波失真。在(T_{A}=+25^{circ}C)，負載為10kΩ的情況下，不同型號的濾波器典型諧波失真值可參考文檔中的表格。

七、總結

MAX7418–MAX7425系列5階低通開關電容濾波器憑借其多種濾波器類型選擇、靈活的時鐘選項、低功耗特性以及出色的性能指標，為電子工程師在設計低功耗、高性能的信號處理系統時提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，我們只需根據具體的設計需求，合理選擇濾波器類型、時鐘模式以及進行必要的參數調整，就能充分發揮該系列濾波器的優勢。大家在使用過程中是否也遇到過一些有趣的問題呢？歡迎在評論區分享交流。