探索 MAX7490/MAX7491 雙通用開關電容濾波器：設計與應用指南

在電子工程領域，濾波器的性能對系統的穩定性和信號處理能力起著至關重要的作用。今天，我們將深入探討 Maxim 公司的 MAX7490/MAX7491 雙通用開關電容濾波器，了解其特性、工作原理、應用場景以及設計要點。

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產品概述

MAX7490/MAX7491 由兩個相同的低功耗、低電壓、寬動態范圍、軌到軌、二階開關電容模塊組成。每個濾波器部分與兩到四個外部電阻配合，可生成所有標準的二階函數，包括帶通、低通、高通和陷波（帶阻），且其中三種功能可同時實現。通過級聯兩個二階濾波器部分可獲得四階濾波器，同樣，級聯多個 MAX7490/MAX7491 可輕松創建更高階的濾波器。

時鐘選項

該濾波器提供兩種時鐘選項：自時鐘（通過使用外部電容）或外部時鐘，以實現更精確的截止頻率控制。時鐘與中心頻率之比為 100:1，采樣頻率為時鐘頻率的兩倍，進一步分離了截止頻率和奈奎斯特頻率。

電源與封裝

MAX7490 采用單 +5V 電源供電，MAX7491 采用單 +3V 電源供電。兩款器件均具備低功耗關斷模式，并采用 16 引腳 QSOP 封裝。

應用領域

MAX7490/MAX7491 的應用十分廣泛，包括可調有源濾波器、多極濾波器、ADC 抗混疊、DAC 后濾波、自適應濾波、鎖相環（PLL）和機頂盒等。

產品特性

高精度

• Q 精度：±0.2%
• 時鐘與中心頻率誤差：±0.2%

軌到軌輸入輸出操作

支持軌到軌輸入輸出，能適應較寬的電壓范圍。

單電源供電

MAX7490 為 +5V 供電，MAX7491 為 +3V 供電，滿足不同電源需求。

時鐘靈活性

可選擇內部或外部時鐘，時鐘與中心頻率比為 100:1，內部采樣與中心頻率比為 200:1。

高頻率范圍

中心頻率最高可達 40kHz。

易于級聯

方便級聯以構建多極濾波器。

低功耗關斷

關斷模式下電源電流小于 1μA。

電氣特性

絕對最大額定值

• VDD 至 GND：-0.3V 至 +6V
• EXTCLK、SHDN 至 GND：-0.3V 至 +6V
• 其他引腳至 GND：-0.3V 至 (VDD + 0.3V)
• 任何引腳的最大電流：50mA
• 連續功耗（TA = +70°C）：16 引腳 QSOP 為 667mW

工作溫度范圍

• MAX749_CEE：0°C 至 +70°C
• MAX749_EEE：-40°C 至 +85°C
• 管芯溫度：+150°C
• 存儲溫度：-65°C 至 +150°C
• 引腳焊接溫度（10s）：+300°C

電氣參數

不同參數在不同條件下有相應的最小值、典型值和最大值，如中心頻率范圍、時鐘與中心頻率精度、Q 精度等。例如，在 Mode 1 下，中心頻率范圍為 0.001 至 40kHz，時鐘與中心頻率精度偏差為 ±0.2% 至 ±0.7%。

工作原理

時鐘信號

外部時鐘

使用外部時鐘時，需將 EXTCLK 引腳拉高或連接到 VDD，CLK 引腳輸入 CMOS 邏輯電平（GND 和 VDD）。通過改變外部時鐘速率可調整濾波器的中心頻率，公式為 (fo = f{CLK} / 100)。

內部時鐘

使用內部振蕩器時，將 EXTCLK 引腳拉低或連接到 GND，并在 CLK 和 GND 之間連接一個電容（COSC）。電容值決定振蕩器頻率，公式為 (f{osc}(kHz)=135 × 10^{3} / C{osc}(pF))。由于 COSC 電容值較小，需盡量減小 CLK 引腳的雜散電容，以免影響內部振蕩器頻率。

二階濾波器級

MAX7490/MAX7491 是雙二階濾波器，二階拓撲允許使用標準濾波器表和方程來實現同時的低通、帶通、陷波或高通濾波器，支持如 Butterworth、Chebyshev、Bessel、elliptic 等拓撲以及自定義算法。

內部公共電壓

COM 引腳設置共模輸入電壓，內部通過電阻分壓器偏置到 VDD/2。MAX7490 的電阻通常為 250kΩ，MAX7491 的電阻通常為 80kΩ。如有需要，可通過外部電壓源輕松覆蓋共模電壓，同時需在 COM 和模擬地之間連接至少 0.1μF 的電容。

反相輸入

連接到 INV 的電阻應盡可能靠近 INV，以減少雜散電容和噪聲拾取。INV_ 是連續時間運算放大器的反相輸入，表現為虛擬接地，這些輸入上不存在采樣能量。

輸出

每個開關電容部分與兩到四個外部電阻配合，可生成所有標準的二階函數。輸出信號的最大擺幅受電源電壓限制，MAX7490/MAX7491 中的放大器輸出能夠擺幅到接近任一電源約 0.2V 的范圍內。驅動同軸電纜、大電容負載或總電阻負載小于 10kΩ 會降低總諧波失真（THD）性能。

低功耗關斷模式

將 SHDN 引腳拉低可激活關斷模式，此時濾波器電源電流降至 < 1μA（最大值），濾波器輸出變為高阻抗，COM 輸入在關斷期間也變為高阻抗。正常工作時，將 SHDN 引腳拉高或連接到 VDD。

應用信息

濾波器工作模式

設計方程

不同模式有相應的設計方程，用于計算中心頻率、Q 值、增益等參數。例如，在 Mode 1 下：

• (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}( at f = f{CLK} / 2)=frac{-R 2}{R 1})

注意事項

輸入信號幅度范圍

最佳輸入信號范圍通過觀察在給定轉折頻率下信號與噪聲加失真（SINAD）比最大時的電壓電平來確定。在大多數系統中，應盡量增大輸入信號以最大化信噪比（SNR），同時要預留足夠的余量以確保在預期工作條件下無信號削波。

抗混疊和 DAC 后濾波

使用 MAX7490/MAX7491 進行抗混疊或 DAC 后濾波時，需同步 DAC（或 ADC）和濾波器時鐘。若時鐘不同步，拍頻可能會混疊到所需通帶內。

混疊

開關電容濾波器普遍存在混疊現象，輸入信號中高于采樣率一半的頻率分量會發生混疊。MAX7490/MAX7491 以兩倍時鐘頻率采樣，采樣與截止頻率比為 200:1。通常使用簡單的無源 RC 低通輸入濾波器可去除可能混疊的輸入頻率。

時鐘饋通

時鐘饋通是指即使沒有輸入信號，濾波器輸出引腳處也存在的時鐘頻率及其諧波的 RMS 值。可通過在濾波器最終輸出端添加簡單的 RC 低通網絡來大幅降低時鐘饋通。

寬帶噪聲

濾波器的寬帶噪聲是器件噪聲譜密度的總 RMS 值，用于確定工作 SNR。大部分噪聲頻率內容位于濾波器通帶內，無法通過后置濾波降低。在多級濾波器中，應先放置 Q 值最高的部分以降低輸出噪聲。

典型應用電路

文檔給出了一個 4 階 10kHz 帶通濾波器的典型應用電路示例，通過合理選擇電阻和電容值，可實現所需的濾波器性能。

總結

MAX7490/MAX7491 雙通用開關電容濾波器具有高精度、高靈活性、低功耗等優點，適用于多種電子系統中的信號處理。在設計過程中，需根據具體應用需求選擇合適的工作模式和外部元件，并注意抗混疊、時鐘饋通等問題，以確保濾波器的性能和穩定性。你在使用這類濾波器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。