MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414：5 階低通開關電容濾波器的卓越之選

在電子設計領域，濾波器的選擇對于信號處理的質量和系統性能至關重要。今天，我們來深入探討 MAXIM 公司的 MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 這一系列 5 階低通開關電容濾波器（SCFs），看看它們在實際應用中能為我們帶來哪些優勢。

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一、產品概述

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 是 5 階低通開關電容濾波器，具有多種出色特性。其中，MAX7409/MAX7410 采用 +5V 單電源供電，而 MAX7413/MAX7414 則使用 +3V 單電源供電。它們的供電電流僅為 1.2mA，且轉角頻率范圍從 1Hz 到 15kHz，非常適合低功耗的 DAC 后置濾波和抗混疊應用。此外，該系列器件還具備關機模式，可將供電電流降至 0.2μA，有效節省能源。

二、產品特性

2.1 濾波響應類型

• 貝塞爾（Bessel）響應（MAX7409/MAX7413）：貝塞爾濾波器能夠對所有頻率分量進行均勻延遲，從而保留階躍輸入的形狀（受高頻衰減影響）。在使用多路復用器（mux）為模數轉換器（ADC）選擇輸入信號的應用中，貝塞爾濾波器的快速穩定特性顯得尤為重要。因為在選擇新通道后，位于 mux 和 ADC 之間的抗混疊濾波器必須能夠迅速穩定。
• 巴特沃斯（Butterworth）響應（MAX7410/MAX7414）：巴特沃斯濾波器具有最大平坦的通帶響應，這使其成為需要在整個通帶內與直流增益偏差最小的儀器應用的理想選擇。

2.2 時鐘選項

該系列器件提供兩種時鐘選項：

• 自時鐘模式：通過使用外部電容實現自時鐘功能。具體來說，將電容（COSC）連接在 CLK 和地之間，振蕩器頻率由電容值決定，公式為 (f{osc}(kHz) = 30 × 10^{3} / C{OSC}(pF))。在使用內部振蕩器時，需要盡量減小 CLK 處的雜散電容，以免影響內部振蕩器頻率。通過改變內部振蕩器的速率，可以以 100:1 的時鐘 - 轉角頻率比調整濾波器的轉角頻率。例如，內部振蕩器頻率為 100kHz 時，標稱轉角頻率為 1kHz。
• 外部時鐘模式：適用于需要更精確控制轉角頻率的情況。該系列濾波器設計用于使用占空比為 50% ± 10% 的外部時鐘。當使用外部時鐘時，用由 0 到 VDD 供電的 CMOS 門驅動 CLK。外部時鐘速率的變化會按照 (f{c}=f{CLK} / 100) 的公式調整濾波器的轉角頻率。

2.3 低功耗關機模式

當將 SHDN 引腳驅動為低電平時，器件進入關機模式。在關機模式下，濾波器的供電電流降至 0.2μA，輸出變為高阻抗狀態。而在正常工作時，將 SHDN 引腳驅動為高電平或將其連接到 VDD 即可。

2.4 輸入阻抗與時鐘頻率的關系

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 的輸入阻抗實際上等效于一個開關電容電阻，其與頻率成反比。輸入電流并非連續的，因此下面公式計算出的輸入阻抗值代表平均輸入阻抗。一般來說，應使用輸出阻抗小于濾波器輸入阻抗 10% 的驅動器。輸入阻抗可通過公式 (Z{IN}=1 /(f{CLK} × 2.1 pF)) 進行估算。例如，當 (f_{CLK}) 為 100kHz 時，輸入阻抗為 4.8MΩ。

三、電氣特性

3.1 濾波特性

• 轉角頻率（(f_{c})）：范圍為 0.001 到 15kHz，最大 (f{c}) 定義為在正弦輸入為 0.2(f{c}) 時，峰值 S / (THD + N) 降至 68dB 時的時鐘頻率 (f{CLK}=100 ×f{c})。
• 時鐘 - 轉角頻率比：固定為 100:1。
• 時鐘 - 轉角溫度系數：為 10ppm/°C。
• 輸出電壓范圍：為 0.25 (V_{DD}) - 0.25V。
• 輸出失調電壓（(V_{OFFSET})）：當 (V{IN} = V{COM} = V_{DD} / 2) 時，典型值為 ±4mV，最大值為 ±25mV。
• 去除輸出失調后的直流插入增益：在 (V{COM} = V{DD} / 2) 時，范圍為 -0.2 到 +0.2dB。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：不同型號和輸入條件下有所不同。例如，在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 4V{p - p})，測量帶寬為 22kHz 時，MAX7409 的 THD + N 為 -85dB，MAX7410 為 -78dB；在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 2.5V{p - p})，測量帶寬為 22kHz 時，MAX7413 的 THD + N 為 -83dB，MAX7414 為 -81dB。

3.2 電源要求

• 電源電壓：MAX7409/MAX7410 的電源電壓為 +5V（范圍 4.5V 到 5.5V），MAX7413/MAX7414 的電源電壓為 +3V（范圍 2.7V 到 3.6V）。
• 供電電流：在無負載的工作模式下，供電電流為 1.2mA，最大值為 1.5mA。
• 關機電流：當 SHDN = GND 時，關機電流為 0.2μA，最大值為 1μA。
• 電源抑制比（PSRR）：當 IN = COM 時，PSRR 為 70dB。

四、引腳說明

五、應用信息

5.1 失調和共模輸入調整

COM 引腳用于設置共模輸入電壓，內部通過電阻分壓器偏置在電源中點。如果應用不需要失調調整，可將 OS 連接到 COM。對于需要失調調整的應用，可通過電阻分壓器網絡向 OS 施加外部偏置電壓。若需要進行直流電平轉換，可相對于 COM 調整 OS。需要注意的是，OS 不應懸空。輸出電壓由公式 (V{OUT }=left(V{IN }-V{COM }right)+V{OS }) 表示，其中 (V{COM}=V{DD} / 2)（典型值），((V{IN} - V{COM})) 由 SCF 進行低通濾波，OS 在輸出級相加。改變 COM 或 OS 上的電壓使其明顯偏離電源中點會降低濾波器的動態范圍。

5.2 電源供應

MAX7409/MAX7410 使用 +5V 單電源供電，MAX7413/MAX7414 使用 +3V 單電源供電。需要使用 0.1μF 電容將 VDD 旁路到地。如果需要雙電源（MAX7409/MAX7410 為 ±2.5V，MAX7413/MAX7414 為 ±1.5V），可將 COM 連接到系統地，將 GND 連接到負電源。單電源和雙電源的性能相當。在單電源或雙電源操作中，CLK 和 SHDN 應從地（雙電源操作中的 V -）驅動到 VDD。對于 ±5V 雙電源應用，建議使用 MAX291 - MAX297。

5.3 輸入信號幅度范圍

最佳輸入信號范圍可通過觀察在給定轉角頻率下總諧波失真 + 噪聲最小的電壓電平來確定。典型工作特性圖表展示了器件的總諧波失真加噪聲響應隨輸入信號峰 - 峰幅度的變化情況。

5.4 抗混疊和 DAC 后置濾波

在將這些器件用于抗混疊或 DAC 后置濾波時，需要同步 DAC（或 ADC）和濾波器的時鐘。如果時鐘不同步，拍頻會混疊到所需的通帶中，影響信號處理效果。

5.5 諧波失真

諧波失真源于濾波器內部的非線性特性。當純正弦波輸入到濾波器時，這些非線性會產生諧波。文檔中列出了在 (T_{A}=+25^{circ} C) 且負載為 10kΩ 時，MAX7410/MAX7414 和 MAX7409/MAX7413 的典型諧波失真值。

六、訂購信息與封裝信息

6.1 訂購信息

6.2 封裝信息

文檔提供了詳細的封裝尺寸信息，包括英寸和毫米兩種單位的尺寸范圍，以及引腳間距等參數，方便工程師進行 PCB 設計。

綜上所述，MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 系列 5 階低通開關電容濾波器憑借其低功耗、多種濾波響應類型、靈活的時鐘選項和豐富的應用特性，為電子工程師在信號處理、抗混疊和 DAC 后置濾波等應用中提供了可靠的解決方案。在實際設計中，工程師可以根據具體的應用需求選擇合適的型號和工作模式，以實現最佳的系統性能。大家在使用過程中是否遇到過類似濾波器的其他問題呢？歡迎在評論區分享交流。