MAX7418 - MAX7425 5 階低通開關電容濾波器：高效低功耗設計之選

作為電子工程師，在設計中選擇合適的濾波器至關重要，它直接影響到整個系統的性能。今天，就來詳細聊聊 Analog Devices 公司推出的 MAX7418 - MAX7425 系列 5 階低通開關電容濾波器（SCFs），看看它在我們的設計中能發揮怎樣的優勢。

文件下載：MAX7425.pdf

一、器件概述

供電與功耗

MAX7418 - MAX7425 系列濾波器供電靈活，其中 MAX7418 - MAX7421 采用單 +5V 供電，MAX7422 - MAX7425 則采用單 +3V 供電。而且它的功耗極低，工作模式下僅需 3mA 供電電流，在關機模式下，供電電流可降至 0.2μA，這對于一些對功耗要求較高的低功耗應用，如電池供電設備來說，無疑是一個巨大的優勢。

頻率特性

該系列濾波器允許的轉角頻率范圍為 1Hz 至 45kHz，適用于多種不同頻率需求的應用場景。它提供了兩種時鐘選項：自時鐘（通過使用外部電容器）和外部時鐘，其中外部時鐘可實現更精確的轉角頻率控制。此外，還有一個失調調整引腳，方便我們調整直流輸出電平。

濾波器響應類型

不同型號的濾波器具有不同的響應特性：

• 橢圓響應（MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425）：提供陡峭的滾降和良好的阻帶抑制。例如，MAX7418/MAX7422 的過渡比為 1.6，通常具有 53dB 的阻帶抑制；MAX7421/MAX7425 的過渡比為 1.25，滾降更陡峭，通常具有 37dB 的阻帶抑制。
• 貝塞爾響應（MAX7419/MAX7423）：能夠對所有頻率分量進行均等延遲，保留階躍輸入的波形形狀，并且具有快速的建立時間，這在使用多路復用器（mux）為模數轉換器（ADC）選擇輸入信號的應用中非常重要。
• 巴特沃斯響應（MAX7420/MAX7424）：提供最大平坦的通帶響應，適用于要求通帶內與直流增益偏差最小的儀器儀表應用。

二、主要特性

低功耗設計

前文提到過它的低功耗優勢，無論是在工作模式還是關機模式，都能有效降低系統的整體功耗，延長設備的續航時間，這對于許多便攜式設備和長期運行的系統來說是非常關鍵的特性。

時鐘可調轉角頻率

時鐘與轉角頻率比為 100:1，通過調整時鐘頻率，我們可以方便地調濾波器的轉角頻率，為設計帶來了很大的靈活性。

多種封裝形式

該系列濾波器采用 8 引腳 μMAX 封裝，這種封裝形式小巧緊湊，適合高密度電路板的設計，同時也便于焊接和安裝。

低輸出失調

輸出失調電壓低至 ±4mV，能夠保證輸出信號的準確性和穩定性，減少誤差對系統性能的影響。

三、應用領域

ADC 抗混疊

在 ADC 前端使用該系列濾波器進行抗混疊處理，可以有效防止高頻信號混疊到我們需要的低頻信號中，提高 ADC 采樣的準確性。

DAC 后置濾波

在 DAC 輸出之后使用濾波器進行后置濾波，可以平滑 DAC 輸出的信號，減少噪聲和紋波，提高輸出信號的質量。

CT2 基站

在 CT2 基站中，該濾波器可以對語音信號進行處理，提高語音通信的質量和穩定性。

語音處理

在語音處理系統中，它能對語音信號進行濾波，去除噪聲和干擾，提升語音的清晰度和可懂度。

四、關鍵設計要點

時鐘信號選擇

• 外部時鐘：使用外部時鐘時，要求時鐘信號的占空比為 40% 至 60%，通過 CMOS 門從 0 到 VDD 為 CLK 引腳供電。通過改變外部時鐘的速率，可以調整濾波器的轉角頻率，計算公式為 (f{C}=frac{f{CLK}}{100})。
• 內部時鐘：使用內部振蕩器時，CLK 上的電容 (C{OSC}) 決定振蕩器頻率，計算公式為 (f{OSC(kHz)}=frac{k}{C_{OSC}(pF)})，其中對于 MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425，(k = 87×10^{3})；對于 MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424，(k = 110×10^{3})。為了避免雜散電容影響內部振蕩器頻率，需要盡量減小 CLK 處的雜散電容。

輸入阻抗匹配

MAX7418 - MAX7425 的輸入阻抗相當于一個開關電容電阻，計算公式為 (Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} × C{IN})})，其中 (C{IN}=1 pF)。輸入阻抗與頻率成反比，為了保證信號的有效傳輸，建議使用輸出電阻小于濾波器輸入阻抗 10% 的驅動器。

低功耗關機模式

該系列濾波器具有低功耗關機模式，只需將 SHDN 引腳驅動為低電平即可激活。在關機模式下，濾波器的供電電流降至 0.2μA，輸出變為高阻抗狀態。正常工作時，將 SHDN 引腳驅動為高電平或連接到 VDD。

失調和共模輸入調整

COM 引腳設置共模輸入電壓，內部通過電阻分壓器偏置在電源電壓的中間值。如果不需要失調調整，可將 OS 引腳連接到 COM；如果需要進行失調調整，可通過一個電阻分壓器網絡將外部偏置電壓施加到 OS 引腳。輸出電壓可由公式 (V{OUT }=(V{IN } - V{COM })+V{OS}) 表示，其中 ((V{IN } - V{COM })) 經過 SCF 低通濾波，OS 在輸出級相加。需要注意的是，不要讓 OS 引腳懸空，否則會影響濾波器的性能。

電源設計

MAX7418 - MAX7421 使用單 +5V 電源，MAX7422 - MAX7425 使用單 +3V 電源，并且需要在 (V{DD}) 和 GND 之間并聯一個 0.1μF 的旁路電容，以減少電源噪聲對濾波器的影響。如果需要使用雙電源，可將 COM 連接到系統地，GND 連接到負電源。單電源和雙電源的性能是等效的，但無論采用哪種供電方式，CLK 和 SHDN 引腳的驅動電壓范圍都應從 GND（雙電源工作時的 V -）到 (V{DD})。

輸入信號幅度范圍

濾波器的最佳輸入信號范圍取決于在給定轉角頻率下使信號 - 噪聲加失真（SINAD）比最大化的電壓電平。通過觀察典型工作特性曲線中 THD + 噪聲隨輸入信號峰 - 峰幅度的變化情況，可以確定最佳的輸入信號幅度范圍。

抗混疊和 DAC 后置濾波

在進行抗混疊或 DAC 后置濾波應用時，需要確保 DAC（或 ADC）和濾波器的時鐘同步。如果時鐘不同步，可能會產生拍頻，這些拍頻可能會混疊到我們需要的通帶內，從而影響系統的性能。

諧波失真

濾波器內部的非線性特性會產生諧波失真，當輸入純正弦波時會產生諧波。文檔中給出了不同型號濾波器在 (T_{A}= + 25^{circ}C) 和 10kΩ 負載下的典型諧波失真值，在設計時可以參考這些數據評估濾波器的性能。

五、總結

MAX7418 - MAX7425 系列 5 階低通開關電容濾波器以其低功耗、寬轉角頻率范圍、多種濾波器響應類型等優勢，為電子工程師在設計中提供了一種高效、靈活的濾波解決方案。無論是在 ADC 抗混疊、DAC 后置濾波，還是在語音處理等應用領域，都能發揮出出色的性能。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和工作參數，并注意時鐘信號、輸入阻抗、電源設計等關鍵要點，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用開關電容濾波器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區留言分享。