MAX260/MAX261/MAX262：微處理器可編程通用有源濾波器的深度剖析

在電子工程領域，濾波器的設計與應用至關重要。今天，我們將深入探討Maxim公司的MAX260/MAX261/MAX262微處理器可編程通用有源濾波器，了解其特性、應用及設計要點。

文件下載：MAX261.pdf

產品概述

MAX260/MAX261/MAX262是CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器，能夠通過微處理器對精確的濾波功能進行控制。其顯著特點是無需外部組件，即可實現多種配置，包括帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。每個器件包含兩個二階濾波部分，可通過編程控制中心頻率（f0）、品質因數（Q）和濾波工作模式。

中心頻率與Q值控制

輸入時鐘和6位f0程序輸入決定濾波器的中心或轉折頻率，且不影響其他濾波參數。Q值也可獨立編程。不同型號的中心頻率范圍有所不同，MAX260的中心頻率（f0）范圍為7.5kHz，MAX261可處理高達57kHz的中心頻率，而MAX262通過采用較低的時鐘與f0比率，將中心頻率范圍擴展到140kHz。

封裝與溫度范圍

這些器件提供24引腳DIP和小外形封裝，適用于商業、擴展和軍事溫度范圍，為不同應用場景提供了廣泛的選擇。

產品特性

軟件支持

Maxim提供濾波器設計軟件，可幫助工程師快速將頻率響應設計要求轉化為硬件實現，提高設計效率。

精確控制

具備64步中心頻率控制和128步Q控制，且Q和f0可獨立編程，保證了濾波器參數的精確設置。

時鐘比率保證

保證時鐘與f0比率誤差在-1%（A級）以內，確保濾波器性能的穩定性。

寬頻率范圍

MAX262的f0范圍可達75kHz，滿足了多種高頻應用的需求。

電源靈活性

支持單+5V和±5V供電，適應不同的電源系統。

應用領域

• μP調諧濾波器：實現對濾波器參數的精確調整，滿足特定頻率響應要求。
• 抗混疊濾波器：防止信號在采樣過程中出現混疊現象，保證信號處理的準確性。
• 數字信號處理：對數字信號進行濾波處理，提高信號質量。
• 自適應濾波器：根據輸入信號的變化自動調整濾波器參數，實現最佳濾波效果。
• 信號分析：對信號進行頻譜分析，提取有用信息。
• 鎖相環：用于頻率合成和同步，確保系統的穩定性。

設計要點

時鐘輸入

時鐘輸入可采用晶體、RC網絡或外部時鐘發生器。CLKA和CLKB的時鐘信號在內部被2分頻，因此時鐘的占空比并不重要。但需注意，內部2分頻會使采樣率減半，在考慮混疊和其他采樣系統現象時需加以考慮。

微處理器接口

f0、Q和模式選擇數據存儲在內部程序存儲器中，可通過寫入由A0 - A3選擇的地址來更新存儲器內容。D0和D1為數據輸入，數據在WR的上升沿存儲到選定地址。地址和數據輸入在±5V供電時與TTL和CMOS兼容，其他電源電壓時建議使用CMOS邏輯電平。

關機模式

當向濾波器A的Q地址（Q0A - Q6A）寫入全零值時，器件進入關機/待機模式，功耗顯著降低。重新激活濾波器后，需等待2ms使其恢復全功能運行。

濾波工作模式

該系列濾波器有四種主要工作模式（模式1 - 4），可通過寫入輸入M0和M1進行選擇。此外，MAX261和MAX262還支持模式3A，需使用額外的運算放大器和外部電阻。不同模式適用于不同類型的濾波器設計，如模式1適用于全極點低通和帶通濾波器，模式3適用于高通濾波器，模式4適用于全通濾波器等。

級聯濾波器

在一些設計中，需要將多個二階濾波器級聯以實現更高階的濾波器。級聯時，總Q值和帶寬的計算需要考慮每個二階濾波器的Q值和階數。對于不同f0和Q值的級聯濾波器，需確定每個部分在級聯濾波器中心頻率處的增益，以獲得總增益。

應用提示

電源供應

可采用多種電源配置，包括單+5V至+12V或±2.5V至±5V雙電源。單電源使用時，需將V - 連接到系統地，并將濾波器的GND引腳偏置在V + / 2。為獲得最佳性能，建議在V +和V -與地之間使用4.7μF電解電容（優選鉭電容）和0.1μF陶瓷電容進行旁路。

輸出擺幅與削波

輸出設計用于驅動10kΩ負載。在設計時，需考慮峰值幅度響應、各部分增益、輸入信號電平及濾波器失調電壓，以確保輸出不超出最大范圍，避免削波現象。

時鐘饋通與噪聲

典型的寬帶噪聲在DC至100kHz范圍內為0.5mVP - P，且幾乎與時鐘頻率無關。在多級濾波器中，將Q值最高的部分置于前端可降低輸出噪聲。若輸出波形的“階梯”現象不可接受，可添加單極AC濾波器進行消除。

輸入阻抗

MAX260的輸入阻抗可近似為RIN = 2 / (CIN * fCLK)，其中CIN約為12pF。MAX261/MAX262的輸入電阻比MAX260大750倍。輸入還具有約5pF的接地固定電容。

低采樣率下的f0和Q

低fCLK/f0比率和低Q設置可能導致與理想連續濾波器響應的偏差。可使用Maxim的濾波器設計軟件或參考相關圖表進行校正。但在大多數情況下，誤差小于1%，無需校正。

混疊問題

作為采樣系統，輸入信號中高于采樣率一半的頻率分量會產生混疊。可使用簡單的無源RC低通輸入濾波器去除可能導致混疊的輸入頻率。

DC失調調整

LP或陷波輸出的DC失調電壓可通過特定電路進行調整，該電路還可實現單極抗混疊濾波。

設計示例

四階切比雪夫帶通濾波器

使用MAX260實現，兩個部分均工作在模式1并使用相同時鐘。通過合理設置fCLK/f0和Q值，可實現所需的中心頻率和帶寬。該濾波器在f0處的總增益為16.4V/V或24.3dB。

寬帶通切比雪夫帶通濾波器

采用MAX260的A部分工作在模式1，B部分工作在模式2，以提供更寬的fCLK/f0比率范圍。使用一個時鐘頻率驅動兩個部分，實現了1kHz的中心頻率和1kHz的通帶帶寬。

高頻切比雪夫帶通濾波器

使用MAX262實現，可在更高頻率下實現相同的切比雪夫響應。由于MAX262的fCLK/f0比率范圍更廣，兩個部分均可使用模式1。

四階巴特沃斯低通濾波器

將MAX260的A和B部分級聯，使用模式1和400kHz時鐘。考慮到低Q值下的采樣誤差，可根據圖表進行校正以獲得最佳精度。

總結

MAX260/MAX261/MAX262微處理器可編程通用有源濾波器為電子工程師提供了一種靈活、精確的濾波解決方案。通過合理選擇工作模式、時鐘頻率和編程參數，可實現各種復雜的濾波功能。在設計過程中，需充分考慮電源、輸出擺幅、噪聲、混疊等因素，以確保濾波器性能的穩定性和可靠性。希望本文能對工程師們在濾波器設計方面有所幫助，大家在實際應用中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。