探索 MAX7480 八階低通巴特沃斯開關電容濾波器：設計與應用之道

引言

在電子工程領域，濾波器的選擇對于系統性能至關重要。今天，我們聚焦于MAX7480這款八階低通巴特沃斯開關電容濾波器（SCF），它在低功耗后數模轉換（DAC）濾波和抗混疊等應用場景中有著出色的表現。接下來，我們將深入了解它的特性、工作原理、應用設計以及注意事項。

文件下載：MAX7480.pdf

一、MAX7480 概覽

基本特性與優勢

MAX7480能夠在單一 +5V 電源下工作，靜態電流僅為 2.9mA，且截止頻率范圍可從 1Hz 到 2kHz，這使其在低功耗應用中成為理想之選。同時，它具備關機模式，可將電源電流降至極低的 0.2μA，大大節省了能源。

時鐘選項與輸出調節

該濾波器提供了兩種時鐘選擇：可以通過外部電容實現自時鐘模式；也能使用外部時鐘來精確控制截止頻率。此外，它還配備了偏移調整引腳，方便對直流輸出電平進行調整。

二、技術參數剖析

濾波器特性

截止頻率范圍為 1Hz - 2kHz，時鐘與截止頻率之比固定為 100:1，時鐘 - 截止頻率溫度系數為 10ppm/°C。輸出電壓范圍為 0.25V 至 VDD - 0.25V，輸出失調電壓典型值為 ±5mV。此外，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -73dB，顯示出其優秀的信號處理能力。

時鐘參數

內部振蕩器頻率（當 Cosc = 1000pF 時）典型值為 53kHz，時鐘輸入電流在 VCLK = 0 或 5V 時典型值為 ±24μA。時鐘輸入高電平為 VDD - 0.5V，低電平為 0.5V。

電源要求

電源電壓范圍為 4.5V - 5.5V，工作模式下電源電流典型值為 2.9mA，關機模式下為 0.2μA。電源抑制比（PSRR）在直流測量下典型值為 60dB。

三、工作模式與原理

時鐘信號控制

• 外部時鐘模式：適用于需要精確控制截止頻率的場景。要求外部時鐘的占空比在 40% - 60% 之間，使用 CMOS 門從 0 到 VDD 驅動 CLK。通過公式 (f{C}=f{CLK} / 100) 可知，改變外部時鐘頻率，就能方便地調整濾波器的截止頻率。
• 內部時鐘模式：在 CLK 和地之間連接電容（COSC）即可啟動內部振蕩器。振蕩器頻率由公式 (f{OSC}(kHz)=frac{53 cdot 10^{3}}{C{OSC}})（(C_{OSC})單位為 pF）確定。在使用時需注意盡量減小 CLK 處的雜散電容，以免影響內部振蕩器頻率。

輸入阻抗特性

MAX7480 的輸入阻抗等效于一個開關電容電阻，與頻率成反比。其平均輸入阻抗可通過公式 (Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} cdot C{IN})})（(C{IN}=2.31 pF)）估算。設計時，一般建議驅動源的輸出阻抗小于濾波器輸入阻抗的 10%。

低功耗關機模式

當將 SHDN 引腳驅動為低電平時，濾波器進入關機模式，此時電源電流降至 0.2μA，輸出變為高阻抗狀態。而在正常工作時，需將 SHDN 引腳驅動為高電平或連接到 VDD。

四、應用設計要點

偏移與共模輸入調整

COM 引腳電壓決定了共模輸入電壓，內部通過電阻分壓器將其偏置在電源電壓的一半。要使用 0.1μF 電容將 COM 引腳旁路到地，并將 OS 引腳連接到 COM。若需要進行偏移調整或直流電平轉換，可通過電阻分壓網絡向 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 })+VOS) 計算，其中 (V{COM}=V_{DD} / 2)（典型值）。不過需注意，大幅改變 COM 或 OS 引腳的電壓會減小濾波器的動態范圍。

電源設計

MAX7480 可使用單 +5V 電源供電，需用 0.1μF 電容將 VDD 旁路到地。若需要雙電源（±2.5V），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相當，但無論使用哪種電源供電，CLK 和 SHDN 引腳都需從 GND（雙電源時為 V -）驅動到 VDD。

輸入信號幅度范圍

對于特定的截止頻率，可通過觀察總諧波失真加噪聲（THD + N）最小時的電壓電平來確定最佳輸入信號范圍。在典型工作特性曲線中，可看到輸入信號峰 - 峰幅度變化時的 THD + N 響應情況。測量時，OS 和 COM 引腳需偏置在電源電壓的一半。

抗混疊與后 DAC 濾波

在進行抗混疊或后 DAC 濾波應用時，要確保 DAC 和濾波器的時鐘同步，否則可能會出現差拍頻率混疊到通帶內的問題。由于該濾波器具有較高的時鐘 - 截止頻率比（100:1），可以降低前、后級開關電容濾波器（SCF）濾波的要求。在輸入側，使用截止頻率高于 SCF 截止頻率的低通濾波器可防止時鐘頻率附近的頻率混疊到通帶內；在輸出側，低通濾波器可衰減時鐘饋通。

五、總結與思考

MAX7480 八階低通巴特沃斯開關電容濾波器憑借其低功耗、寬截止頻率范圍、良好的信號處理能力以及豐富的應用靈活性，在電子工程設計中具有廣泛的應用前景。然而，在實際設計過程中，我們需要充分考慮時鐘同步、電源設計、信號幅度范圍等因素，以確保濾波器性能的最優發揮。大家在實際應用中有沒有遇到過類似濾波器的一些特殊問題呢？歡迎在評論區交流分享。