探索LTC1068系列時(shí)鐘可調(diào)濾波器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)指南

引言

在電子工程師的日常工作中，濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。今天，我們將深入探討Linear Technology的LTC1068系列時(shí)鐘可調(diào)濾波器，這是一款功能強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的濾波器產(chǎn)品。它為我們?cè)诓煌碾娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了靈活且高效的濾波解決方案。

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產(chǎn)品概述

LTC1068系列產(chǎn)品由四個(gè)單片時(shí)鐘可調(diào)濾波器構(gòu)建模塊組成，每個(gè)產(chǎn)品包含四個(gè)匹配的、低噪聲、高精度的二階開(kāi)關(guān)電容濾波器部分。通過(guò)外部時(shí)鐘可以調(diào)節(jié)每個(gè)二階濾波器部分的中心頻率，不同型號(hào)的LTC1068產(chǎn)品僅在時(shí)鐘與中心頻率的比率上有所不同，分別為200:1（LTC1068 - 200）、100:1（LTC1068）、50:1（LTC1068 - 50）和25:1（LTC1068 - 25）。同時(shí)，外部電阻可以修改時(shí)鐘與中心頻率的比率，這為我們的設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

特性亮點(diǎn)

高精度與低噪聲

二階部分中心頻率誤差典型值為±0.3%，最大值為±0.8%，確保了濾波器的高精度性能。在低噪聲方面，不同型號(hào)在Q ≤ 5時(shí)表現(xiàn)出色，如LTC1068 - 200和LTC1068為50μVRMS，LTC1068 - 50為75μVRMS，LTC1068 - 25為90μVRMS。

低功耗與寬電源范圍

電源電流低至4.5mA（單5V，LTC1068 - 50），并且可以在±5V、單5V或單3.3V電源下工作，滿足了不同電源環(huán)境的需求。

多種應(yīng)用頻率范圍

在低通或高通濾波器應(yīng)用中，不同型號(hào)覆蓋了從0.5Hz到200kHz的廣泛頻率范圍；在帶通或帶阻（陷波）濾波器應(yīng)用中，頻率范圍從0.5Hz到140kHz。

電氣特性分析

內(nèi)部運(yùn)算放大器特性

不同型號(hào)的LTC1068在內(nèi)部運(yùn)算放大器的特性上有一些細(xì)微差異。例如，在工作電源電壓范圍方面，均為3.14V至±5.5V；電壓擺幅、輸出短路電流、直流開(kāi)環(huán)增益、GBW乘積、壓擺率等參數(shù)也各有特點(diǎn)。以LTC1068為例，在VS = ±5V時(shí)，GBW乘積為6MHz，壓擺率為10V/μs。

完整濾波器特性

時(shí)鐘與中心頻率比率的精度是該系列產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一。以LTC1068為例，在特定條件下，時(shí)鐘與中心頻率比率典型值為100 ± 0.3%，最大值為100 ± 0.9%。同時(shí)，Q精度、中心頻率溫度系數(shù)、Q溫度系數(shù)、直流失調(diào)電壓、時(shí)鐘饋通等參數(shù)也都有明確的規(guī)格。

典型性能特性

最大Q值與中心頻率關(guān)系

不同電源電壓下，LTC1068系列產(chǎn)品的最大Q值與中心頻率的關(guān)系曲線為我們?cè)谠O(shè)計(jì)濾波器時(shí)提供了重要的參考。例如，在VS = ±5V時(shí)，不同型號(hào)的最大Q值在不同中心頻率下有不同的上限。

中心頻率變化與時(shí)鐘頻率關(guān)系

中心頻率變化與時(shí)鐘頻率的關(guān)系曲線顯示了濾波器在不同時(shí)鐘頻率下的穩(wěn)定性。以LTC1068為例，在特定條件下，中心頻率變化的誤差在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

噪聲特性

噪聲與Q值、電阻比值等因素有關(guān)。通過(guò)典型性能特性曲線，我們可以了解到不同型號(hào)在不同條件下的噪聲表現(xiàn)，從而在設(shè)計(jì)中合理選擇參數(shù)以滿足系統(tǒng)的噪聲要求。

引腳功能與連接

電源引腳

V?和V引腳應(yīng)分別通過(guò)0.1μF電容旁路到合適的模擬地，濾波器的電源應(yīng)與其他數(shù)字或高壓模擬電源隔離，建議使用低噪聲線性電源，以避免降低濾波器的信噪比。

模擬地引腳

引腳7（AGND）是器件的內(nèi)部模擬地，對(duì)于單電源應(yīng)用，該引腳應(yīng)通過(guò)1μF電容旁路。不同型號(hào)的LTC1068在單電源時(shí)AGND的偏置電壓有所不同，如LTC1068、LTC1068 - 200和LTC1068 - 25為0.5 × V?，LTC1068 - 50為0.435 × V?。

時(shí)鐘輸入引腳

任何具有方波輸出和50%占空比（±10%）的TTL或CMOS時(shí)鐘源都可以作為該器件的時(shí)鐘源。時(shí)鐘源的電源不應(yīng)與濾波器的電源相同，模擬地應(yīng)單點(diǎn)連接。同時(shí)，對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降時(shí)間有一定要求，以避免產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘抖動(dòng)。

輸出引腳

每個(gè)二階部分有三個(gè)輸出，典型情況下可提供17mA的源電流和6mA的灌電流。在驅(qū)動(dòng)同軸電纜或小于20k的電阻負(fù)載時(shí)，會(huì)影響濾波器的總諧波失真性能，因此在評(píng)估濾波器性能時(shí)，建議使用寬帶、同相高轉(zhuǎn)換速率放大器進(jìn)行緩沖。

反相輸入引腳

這些引腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的反相輸入，容易受到低阻抗信號(hào)輸出和電源線的雜散電容耦合影響。在印刷電路板布局中，信號(hào)走線、時(shí)鐘源走線或電源走線應(yīng)與反相輸入引腳保持至少0.1英寸的距離。

求和輸入引腳

這些是電壓輸入引腳，如果使用，應(yīng)使用源阻抗低于5k的信號(hào)驅(qū)動(dòng)；不使用時(shí)，應(yīng)連接到模擬地引腳。求和引腳的連接方式?jīng)Q定了每個(gè)二階部分的電路拓?fù)洌Ｊ剑?/p>

工作模式

模式選擇的重要性

線性技術(shù)的通用開(kāi)關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)有固定的內(nèi)部標(biāo)稱fCLK/fO比率，但在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往需要通過(guò)外部電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的fCLK/fO比率。不同的工作模式通過(guò)不同的外部電阻連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的fCLK/fO比率，同時(shí)也會(huì)影響HP/N引腳的傳遞函數(shù)。

常見(jiàn)工作模式介紹

• 模式1：二階部分的外部時(shí)鐘頻率與中心頻率的比率固定為器件的標(biāo)稱比率，可用于制作高階巴特沃斯低通濾波器、低Q陷波濾波器以及級(jí)聯(lián)調(diào)諧在相同中心頻率的二階帶通函數(shù)。
• 模式1b：在模式1的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)電阻，可調(diào)整濾波器的時(shí)鐘與中心頻率比率，適用于高Q設(shè)計(jì)，且時(shí)鐘與截止（或中心）頻率比率大于器件標(biāo)稱比率的情況。
• 模式3：可以將二階部分的外部時(shí)鐘頻率與中心頻率的比率調(diào)整到高于或低于器件的標(biāo)稱比率，可用于制作高階全極點(diǎn)帶通、低通和高通濾波器，但速度比模式1慢。
• 模式2：時(shí)鐘與中心頻率比率fCLK/fO總是小于器件的標(biāo)稱比率，對(duì)電阻容差的敏感度低于模式3，具有高通陷波輸出，陷波頻率僅取決于時(shí)鐘頻率。

應(yīng)用信息

操作限制

通過(guò)典型性能特性中的最大Q值與中心頻率（f0）關(guān)系圖，我們可以確定每個(gè)LTC1068器件二階部分的操作Q值上限。當(dāng)通帶增益誤差開(kāi)始超過(guò)1dB時(shí)，可以使用電容CC來(lái)降低增益誤差，電容CC的最佳值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

時(shí)鐘饋通

時(shí)鐘饋通是指在濾波器輸出引腳處存在的時(shí)鐘頻率及其諧波的RMS值。通過(guò)適當(dāng)?shù)牟季旨夹g(shù)和在濾波器最終輸出端添加簡(jiǎn)單的RC低通網(wǎng)絡(luò)，可以大大降低時(shí)鐘饋通。

寬帶噪聲

濾波器的寬帶噪聲是器件噪聲頻譜密度的總RMS值，主要頻率成分位于濾波器通帶內(nèi)，無(wú)法通過(guò)后置濾波降低。對(duì)于特定的濾波器設(shè)計(jì)，總噪聲取決于每個(gè)部分的Q值和級(jí)聯(lián)順序。

混疊

混疊是開(kāi)關(guān)電容濾波器固有的現(xiàn)象，當(dāng)輸入信號(hào)頻率產(chǎn)生的最強(qiáng)混疊分量的頻率（fSAMPLING - fIN）落入濾波器通帶時(shí)會(huì)發(fā)生。對(duì)于LTC1068器件，采樣頻率為2fCLK，因此在設(shè)計(jì)中需要對(duì)輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行限帶處理。

典型應(yīng)用案例

8階濾波器設(shè)計(jì)

LTC1068系列產(chǎn)品可以設(shè)計(jì)出各種類型的8階濾波器，如8階橢圓帶通濾波器、8階線性相位低通濾波器、8階帶通濾波器、8階高通濾波器、8階陷波濾波器等。通過(guò)不同的電阻和電容配置，結(jié)合FilterCAD設(shè)計(jì)軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)這些濾波器的設(shè)計(jì)。

演示電路DC104

DC104是一款用于評(píng)估LTC1068系列產(chǎn)品的表面貼裝印刷電路板。它具有輸入、輸出和電源測(cè)試端子，以及用于配置濾波器二階電路模式、電源模式和緩沖器模式的跳線。通過(guò)該電路板，我們可以方便地進(jìn)行濾波器的測(cè)試和驗(yàn)證。

總結(jié)

LTC1068系列時(shí)鐘可調(diào)濾波器為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的濾波解決方案。通過(guò)深入了解其特性、引腳功能、工作模式和應(yīng)用信息，我們可以在不同的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中合理選擇和使用該系列產(chǎn)品，以滿足系統(tǒng)的性能要求。同時(shí)，結(jié)合FilterCAD設(shè)計(jì)軟件，我們可以更加高效地完成濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的需求和條件，綜合考慮各種因素，如電源電壓、噪聲要求、頻率范圍等，以優(yōu)化濾波器的性能。你在使用LTC1068系列濾波器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。