探索 MAX293/MAX294/MAX297：八階低通橢圓開關電容濾波器

在電子設計領域，濾波器是信號處理中不可或缺的一部分。今天，我們將深入探討 Maxim 公司的 MAX293/MAX294/MAX297 八階低通橢圓開關電容濾波器，了解它們的特點、應用以及設計要點。

文件下載：MAX294.pdf

一、產品概述

MAX293/MAX294/MAX297 是易于使用的八階低通橢圓開關電容濾波器。其中，MAX293/MAX294 的轉角頻率范圍為 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 則為 0.1Hz 至 50kHz。MAX293/MAX297 具有 1.5 的過渡比，可實現陡峭的滾降和 -80dB 的阻帶抑制；MAX294 的過渡比為 1.2，滾降最為陡峭，阻帶抑制為 -58dB。這三款濾波器響應固定，設計任務主要是選擇控制濾波器轉角頻率的時鐘頻率。

二、產品特性

2.1 高性能濾波

• 八階低通橢圓濾波器：能夠提供陡峭的滾降特性，有效抑制高頻噪聲，適用于對信號質量要求較高的應用場景。
• 寬轉角頻率范圍：時鐘可調的轉角頻率范圍滿足不同應用的需求，如 MAX293/MAX294 為 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 為 0.1Hz 至 50kHz。
• 低通特性：可以讓低頻信號順利通過，同時有效衰減高頻信號，實現對特定頻率范圍的信號過濾。

2.2 靈活的時鐘配置

• 無需外部電阻或電容：內部或外部時鐘可選，使用內部振蕩器時，通過外部電容即可生成時鐘；也可使用外部時鐘信號，為設計帶來了極大的靈活性。
• 時鐘與轉角頻率比：MAX293/294 的時鐘與轉角頻率比為 100:1，MAX297 為 50:1，方便根據實際需求進行頻率調整。

2.3 電源適應性強

• 供電方式多樣：可采用單 +5V 電源或雙 ±5V 電源供電，能適應不同的電源環境。

2.4 集成未使用運算放大器

• 多功能應用：提供一個未使用的運算放大器（同相輸入接地），可用于構建連續時間低通濾波器，實現后置濾波或抗混疊功能。

2.5 多種封裝形式

• 小型化設計：提供 8 引腳 DIP 和 16 引腳寬 SO 封裝，在小面積內實現高性能，滿足不同的 PCB 布局需求。

三、應用領域

3.1 數據采集系統

在數據采集過程中，信號可能會受到各種噪聲的干擾。MAX293/MAX294/MAX297 濾波器可以有效去除高頻噪聲，提高采集信號的質量，確保數據的準確性。

3.2 抗混疊

在對模擬信號進行數字化處理之前，需要進行抗混疊濾波，以防止高頻信號折疊到低頻區域，影響信號的還原。這三款濾波器的陡峭滾降特性使其非常適合抗混疊應用。

3.3 DAC 后置濾波

在數模轉換（DAC）之后，輸出信號可能會包含一些高頻成分。使用這些濾波器進行后置濾波，可以平滑輸出信號，減少噪聲和失真。

3.4 語音/數據信號濾波

在語音和數據通信中，需要對信號進行濾波以去除干擾，提高通信質量。MAX293/MAX294/MAX297 能夠有效過濾信號，確保語音和數據的清晰傳輸。

四、電氣特性

4.1 濾波器特性

• 轉角頻率范圍：MAX293/MAX294 為 0.1 - 25kHz，MAX297 為 0.1 - 50kHz。
• 時鐘與轉角頻率比：MAX293/294 為 100:1，MAX297 為 50:1。
• 插入增益：相對于直流增益，在不同輸入頻率下有特定的插入增益值，具體數值可參考文檔中的表格。
• 通帶紋波：MAX294 約為 0.27dB，MAX297 約為 0.23dB。
• 輸出直流擺幅：±4V。
• 輸出失調電壓：在輸入接地時，為 ±150mV 至 ±400mV。
• 去除輸出失調后的直流插入增益：在 -0.15dB 至 0.15dB 之間。
• 總諧波失真加噪聲：不同型號在不同溫度下有不同的表現，如 MAX293 在 TA = +25°C 時為 -71dB。
• 時鐘饋通：在 TA = +25°C 時，為 5.0mVp - p。
• 輸出驅動能力：約為 20kΩ。

4.2 時鐘特性

• 內部振蕩器頻率：當 Cosc = 1000pF 時，頻率范圍為 29kHz 至 43kHz。
• 內部振蕩器電流源/吸收：在 VCLK = 0V 或 5V 時，為 ±70μA 至 ±120μA。
• 時鐘輸入：高電平為 4.0V，低電平為 1.0V。

4.3 未使用運算放大器特性

• 輸入失調電壓：為 ±10mV 至 +50mV。
• 輸出驅動能力：約為 20kΩ。
• 輸出直流擺幅：±4V。
• 增益帶寬積：約為 4MHz。

4.4 電源要求

• 電源電壓：雙電源時為 +2.375V 至 +5.5V；單電源時，V - = 0V，GND = V + / 2，V + 范圍為 4.75V 至 11.0V。
• 電源電流：約為 15.0mA 至 22.0mA。

五、設計要點

5.1 時鐘信號要求

• 最大推薦時鐘頻率：MAX293/MAX294/MAX297 的最大推薦時鐘頻率為 2.5MHz，可根據時鐘與轉角頻率比計算出相應的截止頻率。
• 時鐘驅動方式：CLK 引腳可由外部時鐘或內部振蕩器驅動。使用外部時鐘時，時鐘電路設計為與 +5V CMOS 邏輯接口；使用內部振蕩器時，CLK 引腳的電容（Cosc）決定振蕩器頻率，計算公式為 (fOSC(kHz)=frac{10^{5}}{3 COSC(pF)})。同時，應盡量減小 CLK 引腳的雜散電容，以免影響內部振蕩器頻率。

5.2 電源供應

• 雙電源和單電源應用：可根據實際需求選擇雙電源或單電源供電。使用單電源時，需將 V - 引腳接地，并使用電阻分壓器網絡將 GND 引腳偏置到電源中點。

5.3 未使用運算放大器的應用

• 抗混疊和后置濾波：未使用的運算放大器可用于構建一階或二階連續時間低通濾波器，用于抗混疊或減少時鐘噪聲。例如，可構建一個二階巴特沃斯濾波器，其轉角頻率可根據不同的應用需求進行調整。在選擇濾波器轉角頻率時，為了使通帶誤差保持在合適的水平，建議二階巴特沃斯濾波器的轉角頻率（fce）比橢圓開關電容濾波器的轉角頻率（fcE）高 2.5 倍以上，最好為 5 倍以上，即 (f{C B}>(5)(f{C E}))。
• 輸入阻抗要求：當使用該運算放大器作為后置濾波器以減少時鐘噪聲時，應保持濾波器的輸入阻抗高于 20kΩ，以避免對開關電容濾波器造成過大的負載。

5.4 DAC 后置濾波

在使用 MAX293/MAX294/MAX297 進行 DAC 后置濾波時，需要同步 DAC 和濾波器的時鐘，以防止拍頻混疊到所需的通帶內。DAC 的時鐘應通過對開關電容濾波器的時鐘進行分頻來生成。

5.5 諧波失真

濾波器內部的非線性會產生諧波失真。在實際應用中，可參考文檔中給出的典型諧波失真值，如在 1kHz、5Vp - p 正弦波輸入信號、1MHz 時鐘頻率和 20k 負載的條件下，不同型號的濾波器在各次諧波下的失真值。

六、總結

MAX293/MAX294/MAX297 八階低通橢圓開關電容濾波器以其高性能、靈活性和小型化的特點，在數據采集、通信、信號處理等領域具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計過程中，應充分考慮其電氣特性和設計要點，以實現最佳的濾波效果。你在使用這些濾波器的過程中遇到過哪些問題呢？或者對于濾波器的設計還有哪些疑問，歡迎在評論區留言討論。