探索LTC1065：高性能時(shí)鐘可調(diào)線性相位濾波器

在電子工程師的日常工作中，濾波器的選擇無疑是至關(guān)重要的一環(huán)。最近我在研究一款頗具特色的濾波器——LTC1065，今天就和大家好好分享一下。

文件下載：LTC1065.pdf

LTC1065的卓越特性

精確的DC性能

LTC1065是首款集時(shí)鐘可調(diào)性、低直流輸出失調(diào)和超過12位直流精度于一身的單片濾波器。其輸出直流失調(diào)典型值僅為1mV，并且在很寬的時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)保持恒定。這一特性在對(duì)直流精度要求極高的應(yīng)用中，如數(shù)字電壓表等，顯得尤為重要。大家在設(shè)計(jì)這類高精度測(cè)量設(shè)備時(shí)，是否也會(huì)特別關(guān)注濾波器的直流失調(diào)問題呢？

出色的共模抑制比

在±5V電源和±4V輸入電壓范圍內(nèi)，該器件的共模抑制比（CMR）典型值可達(dá)80dB。這意味著它能夠有效抑制共模信號(hào)的干擾，提高信號(hào)處理的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，高CMR的濾波器可以顯著提升系統(tǒng)的抗干擾能力，大家有沒有遇到過因共模干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的情況呢？

低噪聲與低失真

LTC1065的寬帶噪聲典型值為80μV RMS，并且能夠以低失真處理大交流輸入信號(hào)。例如，在±7.5V電源下，當(dāng)處理高達(dá)4V RMS的輸入信號(hào)時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)1kHz總諧波失真（THD）低于0.005%，信噪比（S/N）可達(dá)94dB，動(dòng)態(tài)范圍（S/N + THD）可達(dá)87dB。在音頻處理等對(duì)音質(zhì)要求較高的領(lǐng)域，低噪聲和低失真的濾波器能夠保證信號(hào)的純凈度，大家在音頻設(shè)計(jì)中對(duì)濾波器的噪聲和失真指標(biāo)有怎樣的要求呢？

靈活的時(shí)鐘控制

濾波器的截止頻率可以由內(nèi)部或外部時(shí)鐘控制，時(shí)鐘與截止頻率之比為100:1。內(nèi)部時(shí)鐘幾乎與電源無關(guān)，可通過外部RC進(jìn)行編程。這種靈活的時(shí)鐘控制方式使得LTC1065能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，大家在設(shè)計(jì)中更傾向于使用內(nèi)部時(shí)鐘還是外部時(shí)鐘呢？

引腳功能解析

電源引腳

正、負(fù)電源引腳應(yīng)使用高質(zhì)量的0.1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路。在時(shí)鐘引腳外部掃描以提供多個(gè)截止頻率的應(yīng)用中，并聯(lián)一個(gè)1μF的固態(tài)鉭電容可以最小化輸出直流失調(diào)的變化。當(dāng)電源電壓超過±7V，且負(fù)電源先于正電源施加時(shí)，應(yīng)在正電源引腳和地之間連接一個(gè)信號(hào)二極管，以防止閂鎖現(xiàn)象。

接地引腳

接地引腳合并了內(nèi)部模擬和數(shù)字接地路徑，是內(nèi)部開關(guān)電容電阻和外部時(shí)鐘的參考電位。對(duì)于雙電源操作，應(yīng)將接地引腳連接到高質(zhì)量的交流和直流接地，最好使用接地平面；對(duì)于單電源操作，接地引腳應(yīng)偏置在電源電壓的一半。不良的接地會(huì)導(dǎo)致直流失調(diào)惡化，增加時(shí)鐘饋通、噪聲和失真。

Vos調(diào)整引腳

Vos調(diào)整引腳可用于微調(diào)輸出直流失調(diào)電壓或引入所需的輸出直流電平。該引腳到濾波器輸出引腳的直流增益為2，任何施加到該引腳的直流電壓都會(huì)在濾波器輸出引腳以兩倍的幅度體現(xiàn)。如果不使用該引腳，應(yīng)將其短路到接地引腳，并且該引腳應(yīng)始終連接到交流地，以避免交流信號(hào)影響濾波器響應(yīng)。

輸入引腳

輸入引腳是濾波器的輸入端，連接到內(nèi)部開關(guān)電容電阻。如果輸入引腳懸空，濾波器輸出將飽和。該引腳的直流輸入阻抗非常高，在±5V電源和1MHz時(shí)鐘下，典型值為1GΩ。串聯(lián)在輸入引腳的電阻RIN不應(yīng)超過最大值，否則會(huì)影響濾波器的通帶。

輸出引腳

輸出引腳是濾波器的輸出端，通常能夠提供超過20mA的源電流和2mA的灌電流。該引腳不應(yīng)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)同軸電纜，否則會(huì)導(dǎo)致濾波器的總諧波失真惡化。為了保持典型性能特性中所示的失真水平，濾波器輸出能夠驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載為20k。

時(shí)鐘輸入引腳

外部時(shí)鐘施加到該引腳可以調(diào)整濾波器的截止頻率，時(shí)鐘與截止頻率之比為100:1。強(qiáng)烈推薦使用占空比在30%至50%之間的方波時(shí)鐘，不建議使用正弦波時(shí)鐘。

時(shí)鐘輸出引腳

任何施加到時(shí)鐘輸入引腳的外部時(shí)鐘都會(huì)出現(xiàn)在時(shí)鐘輸出引腳，其占空比與輸入時(shí)鐘相同。在自時(shí)鐘模式下，內(nèi)部振蕩器的時(shí)鐘以30%的占空比出現(xiàn)在該引腳。該引腳可用于驅(qū)動(dòng)其他LTC1065或其他IC，其能夠驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載電容與時(shí)鐘頻率和電源電壓有關(guān)。

應(yīng)用信息

自時(shí)鐘操作

LTC1065具有內(nèi)部振蕩器，可通過外部RC進(jìn)行調(diào)諧，主要用于產(chǎn)生低于500kHz的時(shí)鐘頻率。內(nèi)部振蕩器的頻率可以通過公式 (f_{CLK}=K / RC) 計(jì)算，其中K的值與時(shí)鐘頻率和電源電壓有關(guān)。在選擇外部RC值時(shí)，可以參考典型性能特性中的曲線。對(duì)于有限的溫度范圍，內(nèi)部振蕩器也可用于產(chǎn)生高于500kHz的時(shí)鐘頻率，但需要注意時(shí)鐘頻率的變化和器件之間的差異。

輸出失調(diào)

LTC1065的直流輸出失調(diào)在±5V電源下經(jīng)過微調(diào)，典型值小于±1mV。為了獲得最佳的直流失調(diào)性能，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB布局技術(shù)，并將濾波器IC焊接到PCB板上。輸出直流失調(diào)對(duì)時(shí)鐘輸出引腳與負(fù)電源引腳之間的耦合較為敏感，因此負(fù)電源引腳應(yīng)進(jìn)行良好的去耦。在使用表面貼裝封裝時(shí)，所有未連接的引腳應(yīng)接地。在測(cè)量輸出直流電壓時(shí)，應(yīng)使用緩沖器，并避免使用長(zhǎng)測(cè)試線。

共模抑制

共模抑制定義為輸出直流失調(diào)相對(duì)于輸入電壓直流變化的變化率。通過調(diào)整輸出失調(diào)到接近0V，可以提高共模抑制比。不同電源和溫度下的共模抑制數(shù)據(jù)表明，在一定的時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)，LTC1065具有較好的共模抑制性能。

時(shí)鐘饋通

時(shí)鐘饋通是指時(shí)鐘頻率及其諧波在濾波器輸出引腳的均方根值。它取決于PCB布局的質(zhì)量和電源去耦，與時(shí)鐘上升和下降過程中的寄生開關(guān)瞬變無關(guān)。在±5V電源下，LTC1065的時(shí)鐘饋通為50μV RMS；在±7.5V電源下，接近75μV RMS。

寬帶噪聲

寬帶噪聲數(shù)據(jù)用于確定在給定失真水平下的工作信噪比，其值幾乎與時(shí)鐘頻率無關(guān)，且不包括時(shí)鐘饋通。LTC1065的典型寬帶噪聲為80μV RMS，通過示波器可以觀察到其峰峰值約為420μV P-P。

混疊

混疊是采樣數(shù)據(jù)濾波器固有的現(xiàn)象，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率接近采樣頻率時(shí)會(huì)發(fā)生。對(duì)于LTC1065，輸入信號(hào)頻率在 (f_{CLK} ± 6%) 范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)在濾波器的通帶和阻帶內(nèi)產(chǎn)生混疊信號(hào)。可以通過在輸入端添加RC網(wǎng)絡(luò)來衰減接近時(shí)鐘頻率的輸入信號(hào)，以維持貝塞爾通帶響應(yīng)。

典型應(yīng)用電路

兩級(jí)級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更陡峭的滾降

將兩個(gè)LTC1065級(jí)聯(lián)使用，可以實(shí)現(xiàn)更陡峭的滾降特性，適用于對(duì)濾波器截止特性要求較高的應(yīng)用。在級(jí)聯(lián)電路中，寬帶噪聲為110μV RMS，在 (f = 2f_{C}) 處的衰減為60dB。

多通道應(yīng)用中的時(shí)鐘共享

在多通道應(yīng)用中，可以使用一個(gè)時(shí)鐘源為多個(gè)LTC1065提供時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘共享。這樣可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一致性。

單5V電源操作

LTC1065可以在單5V電源下工作，通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)所需的截止頻率。例如，在 (f_{C}=3.4 kHz) 的單5V電源電路中，通過合理選擇電阻和電容的值，可以滿足特定的應(yīng)用需求。

±7.5V電源操作時(shí)的Vos調(diào)整

在±7.5V電源操作時(shí)，可以通過調(diào)整Vos來優(yōu)化濾波器的性能。通過使用外部電路，可以將輸出失調(diào)電壓調(diào)整到所需的值，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

總的來說，LTC1065憑借其出色的性能和靈活的應(yīng)用方式，在音頻、應(yīng)變計(jì)放大器、抗混疊濾波器等眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似性能優(yōu)越的濾波器呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見解。