MAX281：零誤差五階貝塞爾低通濾波器的設計與應用

在電子工程師的日常工作中，濾波器的設計和應用是至關重要的環節。今天我們要探討的是MAXIM公司的一款高性能濾波器——MAX281，這是一款零誤差的五階貝塞爾低通濾波器，在眾多領域有著廣泛的應用。

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一、產品概述

MAX281是一款無直流誤差的五階全極點儀表低通濾波器。它通過外部電阻和電容將集成電路與直流信號路徑隔離開，從而保證了直流精度。外部電阻和電容與片上的四階開關電容濾波器共同構成了五階濾波器，其頻率響應從直流到超過濾波器截止頻率，不過在阻帶衰減方面會有一定程度的降低。

濾波器的截止頻率由時鐘設定，時鐘可以是內部生成的，也可以由外部提供。時鐘與截止頻率的比值為101，這使得時鐘紋波很容易被去除。MAX281A在內部時鐘振蕩器頻率和緩沖放大器失調電壓方面的規格比MAX281B更為嚴格。此外，對于需要最大平坦（巴特沃斯）幅度響應的應用，還提供了MAX280。

二、產品特性

2.1 低通特性

• 零直流誤差：采用獨特設計，確保在直流信號處理時無誤差。
• 低通帶噪聲：在通帶內產生的噪聲極低，保證信號的純凈度。
• 寬截止頻率范圍：截止頻率范圍從直流到20kHz，能滿足多種應用需求。
• 五階全極點貝塞爾響應：具有良好的線性相位特性，減少信號失真。

2.2 時鐘與輸出

• 內部或外部時鐘可選：方便工程師根據實際情況靈活配置。
• 可級聯以實現更高階滾降：通過級聯多個MAX281芯片，可以實現更高階的濾波器，增強濾波效果。
• 緩沖輸出：提供緩沖輸出，增強信號的驅動能力。

2.3 封裝形式

提供8引腳DIP或16引腳寬體SO封裝，便于不同的電路板布局和安裝。

三、應用領域

MAX281的特性使其在多個領域都有廣泛的應用，例如：

• 抗混疊濾波器：在采樣系統中，有效防止信號混疊，保證采樣的準確性。
• 數據記錄儀：對采集到的數據進行濾波處理，提高數據的質量。
• 數字電壓表：去除噪聲干擾，提高測量的精度。
• 稱重秤和應變計：對微弱的傳感器信號進行濾波，確保測量的穩定性。

四、設計要點

4.1 時鐘要求

4.1.1 內部振蕩器

MAX281內部包含一個標稱頻率為140kHz的振蕩器。該頻率可以通過在COSC引腳和V - 之間連接外部電容來修改，計算公式為： [f{osc} = 140kHzleft(frac{33pF}{33pF + C{OSC}}right)] 由于工藝公差，MAX281B的振蕩器頻率可能會有±62.5%的變化，而MAX281A通過片上微調將頻率公差降低到±19.5%。為了進一步調整振蕩器頻率，可以在電容和COSC引腳之間添加一個串聯電位器，新的頻率計算公式為： [f'{osc} = frac{f{osc}}{1 - 4R{C{OSC}}}] 其中，(f_{osc})是當(R = 0)時的振蕩器頻率。使用外部電位器時，新的振蕩器頻率總是高于根據第一個公式計算的值。

4.1.2 外部時鐘

如果使用外部時鐘，內部開關電容濾波器需要的時鐘頻率是所需截止頻率的101、202或404倍，具體取決于DIVIDER RATIO引腳的連接方式。當DIVIDER RATIO引腳連接到不同電壓時，有不同的頻率比：

• 當引腳(4 = V +)時，(f{CLK}/f{C}=101)；
• 當引腳(4 = GND)時，(f{CLK}/f{C}=202)；
• 當引腳(4 = V -)時，(f{CLK}/f{C}=404)。

外部時鐘輸入在COSC引腳的電壓擺動必須接近電源軌（V + ，V - ）。標準的74HC00系列CMOS門雖然不能保證為COSC引腳提供符合CMOS標準的源電流和灌電流，但實際上可以驅動該引腳。符合標準B系列輸出驅動的CMOS門具有合適的電壓電平和電流，能夠同時驅動多個芯片。內部施密特觸發器感應COSC引腳的典型觸發電平會根據電源電壓的不同而變化，例如：

• 當(V + = + 2.5V)，(V - = - 2.5V)時，(V{H}=0.9V)，(V{L}=-1.15V)；
• 當(V + = + 5V)，(V - = - 5V)時，(V{IH}=1.4V)，(V{IL}=-2.1V)。

4.2 外部電阻和電容值的選擇

內部四極開關電容濾波器由外部電阻和電容驅動，為了實現所需的截止頻率，DIVIDER RATIO引腳應進行相應設置，同時電阻和電容的值應滿足以下公式： [frac{f{C}}{1.1579}=frac{1}{2pi RC}] 其中，(f{C})為濾波器截止頻率。例如，要實現一個10Hz的截止濾波器，可設置： [frac{1}{2pi RC}=frac{10Hz}{1.1579}=8.6363Hz] 電阻R通常約為20k，其最小值取決于最大輸入信號和FB引腳的灌電流能力（通常為1mA）。對于1Vp - p的信號，電阻的最小值為1k。

為了獲得最佳的貝塞爾響應，RC乘積應得到良好的控制。不準確的RC乘積可能會導致FB引腳出現過度的峰值，從而導致輸出波形的削波和失真。在寬溫度范圍的應用中，建議使用NPO陶瓷電容器，因為它們的溫度系數較小，而背對背連接的鉭電容器和陶瓷圓盤電容器會引入額外的通帶誤差（0.05 - 0.1dB）。

五、應用注意事項

5.1 濾波器輸入電壓范圍

濾波器的每個節點的電壓擺動通常在電源電壓的1V范圍內。在選擇合適的外部電阻和電容值的情況下，除了FB引腳外，所有內部和外部節點的幅度響應不應超過0dB增益。FB引腳的幅度響應可能會出現一些峰值，具體情況如圖3所示。

當使用±5V電源時，輸入電壓的峰 - 峰值不應超過6.5V。如果輸入電壓超過這個值，可能會導致輸出波形的削波和失真，但濾波器不會損壞。任何引腳的絕對最大輸入電壓不應超過電源電壓。

5.2 內部緩沖器

FB引腳和OUT引腳的內部輸出緩沖器是交流信號路徑的一部分。因此，電容負載大于30pF可能會在截止頻率附近的通帶內引起增益誤差。內部緩沖器也可以用作濾波器的輸出，但會有幾毫伏的輸出失調。

5.3 濾波器衰減

濾波器的滾降為30dB/倍頻程。當時鐘速率增加，從而截止頻率增加時，濾波器的最大衰減會減小，這是由各種內部反饋路徑的環路增益在較高頻率下的滾降引起的。

5.4 濾波器噪聲

濾波器的寬帶噪聲在±5V電源時通常為(90mu V)，在±2.5V電源時通常為(80mu V{RMS})。與傳統有源濾波器不同，在低于(0.1f{c})的頻率下，噪聲幾乎為零。大約2/3的整個寬帶噪聲集中在直流到(f_{c})的頻段內。

5.5 瞬態響應

MAX281的階躍響應顯示了五階貝塞爾濾波器的特性，沒有過沖現象是貝塞爾響應的典型特征。

5.6 抗混疊

內部四階開關電容濾波器是一個采樣器件，因此在沒有帶限信號或連續信號前置的情況下會出現混疊現象。五階濾波器的極點自動提供了抗混疊功能，在奈奎斯特頻率處的衰減大于35dB。

5.7 單電源操作

單電源操作時，AGND引腳和OUT引腳應進行適當的偏置，外部電阻和電容應進行調整，以考慮R'和C'組合的額外負載。如果輸入電壓的直流值約為電源電壓的1/2，則不需要R'和C'。如果使用外部電容來激活內部振蕩器，其底部極板應連接到系統地，AGND引腳也應通過去耦電容進行旁路。

5.8 時鐘饋通

如果將緩沖輸出引腳用作輸出，可以使用電阻和電容來降低時鐘饋通。在直流精確輸出端添加一個有源濾波器可以作為緩沖器，并提供時鐘饋通濾波。

5.9 級聯以實現更高階濾波器

兩個芯片可以有或沒有中間緩沖器進行級聯。通過級聯，可以實現更高階的濾波器，但需要注意級聯可能會引入最大2mV的直流誤差。

六、應用電路示例

6.1 過濾高直流電壓中的交流信號

在某些應用中，需要從高直流電壓中過濾掉不需要的交流成分。如圖7所示，MAX281可以通過其獨特的結構實現這一功能，這得益于其分流架構，而傳統的有源濾波器結構通常難以實現。

七、總結

MAX281作為一款高性能的五階貝塞爾低通濾波器，具有零直流誤差、低通帶噪聲等諸多優點，在多個領域都有廣泛的應用前景。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇時鐘源、外部電阻和電容等參數，同時注意濾波器的輸入電壓范圍、內部緩沖器、衰減、噪聲等特性，以確保濾波器能夠穩定、高效地工作。通過對MAX281的深入理解和應用，相信可以為電子工程師在信號處理領域帶來更多的便利和創新。

各位工程師在使用MAX281的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨特的應用場景呢？歡迎在評論區分享交流！